Optimale Präparation von Vielteilchen-Rydbergzuständen

• Antragsteller: Professor Dr. Tommaso Calarco
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 316184660

In den letzten Jahrzehnten haben sich hoch kontrollierbare ultrakalte Atome als eine leistungsfähige Plattform für die Untersuchung von Vielteilchensystemen herausgestellt. Im Gegensatz zu normalen ultrakalten Atomen, bei denen Wechselwirkungen wegen der endlichen im Labor erreichbaren Temperaturen auf kurze Distanzen begrenzt sind, überwinden Rydberg-Atome diese Schwierigkeit mit starken und weitreichenden Van-der-Waals- oder Dipol-Wechselwirkungen.Um das Potenzial von Rydberg-Atomen umsetzen zu können, müssen Experimente innerhalb der begrenzten Kohärenzzeit der Atome durchgeführt werden, was sich bei Vielteilchen-Systemen als keineswegs trivial erweist. Mit diesem Projekt tragen wir zur Verkürzung der Experimentierzeit bei, indem wir zeitabhängige Kontrollparameter für Rydberg-Atome berechnen, um Vielteilchen-Quantenzustände auf optimale Art zu präparieren. Das Optimum bewirkt, dass (1) die Leistungszahl d.h. Fidelity oder Verschränkung, nah am Maximum liegt, (2) die notwendigen Zeiten (viel) geringer sind als die für adiabatische Verfahren und (3) die resultierenden Kontrollparameter robust gegenüber relevanten experimentellen Fehlerquellen sind. Neben der Unterstützung experimenteller Arbeitsgruppen ist es unser Ziel, theoretische Fortschritte zu erreichen, indem wir grundlegende physikalische Fragen erforschen, wie z.B. Phasenübergänge und den Kibble-Zurek-Mechanismus (KZM) im Zusammenhang mit Rydberg-Atomen. Darüber hinaus werden wir Kontrollierbarkeit für Systeme von Rydberg-Atomen untersuchen sowie die Möglichkeit, das intrinsische Quantum Speed Limit zu erreichen.Zu diesem Zweck werden wir in unserem Projekt optimale Kontrollstrategien mit fortgeschrittenen Algorithmen auf Rydberg-Atome anwenden. Die Optimierungstechnik, die wir anwenden werden, ist die Chopped Random Basis Methode (CRAB). Hierbei werden die Kontrollparameter bei jeder Iteration bezüglich gewünschter Leistungszahlen optimiert, bis die Konvergenz zu einem optimalen Wert erreicht wird. Da Hilberträume bei Vielteilchensystemen zu groß für eine exakte Behandlung sind, werden wir entweder Tensor-Netzwerk-Algorithmen, die den Hilbertraum entsprechend der benötigten Verschränkung abschneiden, oder Näherungen basierend auf dem Rydberg-Blockade-Mechanismus verwenden.Dieser Antrag deckt drei Hauptforschungsrichtungen ab. Erstens wollen wir die zeitliche Form der Kontrollparameter finden, die uns erlaubt, die Rydberg-Atome sowohl in ein- als auch zweidimensionalen optischen Gittern zu steuern, um kristalline Zustände mit gegebenen Anregungszahlen über kurzmöglichster Zeitdauer zu präparieren. Unser zweiter Fokus liegt auf der Präparation von mehrseitigen verschränkten Zuständen einschließlich des W- und GHZ-Zustands sowie weiterer Zustände mit hoher Verschränkung. Schließlich werden wir den KZM hinsichtlich linearer Zickzack-Übergänge an Rydberg-Atomen unter nichtlinearen Zeitabhängigkeiten mithilfe der optimalen Kontrolle studieren.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1929: Giant Interactions in Rydberg Systems (GiRyd)