Kontrolle von offenen Quantenystemen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Thomas Baumert; Professorin Dr. Christiane Koch
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 284204715

Das Ziel dieses Forschungsvorhabens besteht darin zu identifizieren, inwieweit die Umgebung eines Quantensystems aktiv zu dessen kohärenter Steuerung mittels geformeter äußerer elektrischer Felder benutzt werden kann. Die Fähigkeit, ein Quantensystem zu kontrollieren, stellt eine wichtige Vorbedingung für zukünftige Anwendungen von Quantentechnologien dar und wurde bisher vor allem für abgeschlossene Systeme erfolgreich demonstriert. Jedoch sind die meisten technologisch relevanten Quantensysteme nicht abgeschlossen, und die daher auftretende Dekohärenz stellt ein großes Problem für die Quantenkontrolle dar.Wir planen, uns im beantragten Forschungsvorhaben auf Systeme in der kondensierten Phase konzentrieren, für die die Umgebung in ihrer Reaktion auf die getriebene Systemdynamik Gedächtniseffekte zeigt. Diese Situation wird als nicht-Markovsch bezeichnet und neuerdings äußerst intensiv untersucht, da in diesem Fall im Prinzip ein Rückfluss von Information von der Umgebung ins System möglich ist. Im Vorhaben soll untersucht werden, ob diese Eigenschaft im Rahmen der kohärenten Kontrolle ausgenutzt werden. Speziell soll die Frage beantwortet werden, ob Gedächtniseffekte, die von spezifischen Moden der Umgebung verursacht werden, es ermöglichen, ein vordefiniertes Kontrollziel besser oder sogar überhaupt zu erreichen. Umgebungsmoden sind dabei dadurch definiert, dass sie nicht direkt an äußere Kontrollfelder gekoppelt werden können.Das geplante Arbeitsprogramm beinhaltet sowohl abstrakte theoretische Untersuchungen zur Kontrollierbarkeit bzw. Methodenentwicklung in der optimalen Kontrolle als auch die Untersuchung zweier konkreter Anwendungen, Halbleiterquantenpunkte und Farbstoffmoleküle in Lösung. Das Ziel besteht darin, neue und alternative Kontrollmechanismen zu entwickeln, die darüber hinausgehen, das System von seiner Umgebung zu entkoppeln bzw. zu isolieren und die über die Ausnutzung der Wechselwirkung mit der Umgebung eine neue Perspektive für die Kontrolle von offenen Quantensystemen eröffnet.Das Vorhaben vereint Expertise aus verschiedenen Spezialisierungsrichtungen, von grundlegenden mathematischen Aspekten der Quantenkontrolltheorie, über die Beschreibung offener Quantensysteme, speziell solcher mit nicht-Markovscher Dynamik, Simulationen von komplexen Systemen in der chemischen und Halbleiterphysik bis hin zur experimentellen Quantenkontrolle mit Femtosekundenlasern. Mit der geplanten Vorgehensweise sollte es möglich sein, das gegenwärtig begrenzte Verständnis der Kontrolle offener Quantensysteme, insbesondere solcher mit nicht-Markovscher Dynamik, signifikant zu vertiefen. Ein solches Ergebnis wäre bedeutsam für viele technologisch relevante Quantensysteme, weit über das Gebiet der Atom-, Molekül- und chemischen Physik hinaus.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Kooperationspartner: Professor Dr. Christoph Meier; Professor Dr. Dominique Sugny