Direktionalität in Quantensystemen

• Antragstellerin: Professorin Dr. Anja Metelmann
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen ; Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 344316621

Im Allgemeinen ist die Wechselwirkung zwischen zwei Quantensystem reziprok und durch eine gegenseitige Beeinflussung der Systeme gekennzeichnet. Das bedeutet, dass es inhärente vorwärts und rückwärts gerichtete Prozesse gibt die auf beide Systeme einwirken. Man kann nun die Frage stellen ob es möglich ist diese Symmetrie zu brechen und sich somit eine nichtreziproke, unidirektionale Wechselwirkung zwischen den Quantensystemen realisieren lässt. Dies ist in der Tat möglich, da jede faktorisierbare (kohärente) Hamiltonsche Kopplung durch geschicktes Ausbalancieren mit einem entsprechenden dissipativen Prozess in eine unidirektionale Wechselwirkung überführt werden kann. Diese dissipative Wechselwirkung kann dabei so interpretiert werden, dass die beiden betrachten Quantensysteme an ein drittes (stark gedämpftes) Hilfssystem gekoppelt sind, welches eine indirekte Wechselwirkung zwischen den beiden Systemen vermittelt. Es zeigt sich, dass der dissipative Prozess von entscheidender Bedeutung ist um eine unidirektionale Wechselwirkung zwischen Quantensystemen zu erzeugen.Dieses Konzept, des Ausbalancierens einer kohärenten mit einer entsprechenden dissipativen Wechselwirkung, kann ausgenutzt werden um direktionale Systeme für die Quanteninformationsverarbeitung oder Kommunikationsprotokolle zu konstruieren. Es kann zum Beispiel benutzt werden um die direktionale Ausbreitung von Photonen in einem optischen Kristall oder die Konstruktion von Zirkulatoren, optischen Isolatoren und direktionalen Signalverstärkern zu realisieren. Überdies eröffnet die Kontrolle über die Wechselwirkungsrichtung zwischen Quantensystemen interessante neue Möglichkeiten für Quantenzustandstransferprotokolle, Quantenteleportation und Feedbackkontrollalgorithmen.Die Methode zur Realisierung von unidirektionalen Wechselwirkungen bildet den Ausgangspunkt für das antizipierte Forschungsvorhaben. Basierend auf dieser Methode sollen neue Konzepte zur Realisierung von nichtreziproken Systemen untersucht werden. Eine mögliche Anwendung sind Quantenlimitierte Verstärker, die eine robuste direktionale Verstärkung schwacher Quantensignale ermöglichen. Neben den praktischen Anwendungen zielt das vorliegende Forschungsvorhaben darauf ab, die Verallgemeinerung des Direktionalisierungskonzeptes in höheren Dimensionen und für nichtlineare Wechselwirkungen zu studieren. Wichtige offene Fragen sollen beantwortet werden, z.B. sind der Zusammenhang mit nicht-Hermitischen Paritäts-Zeit-symmetrischen Quantensystemen und die Fähigkeit eines nicht-reziproken Quantensystems Verschränkung zu erzeugen nach wie vor nicht vollständig verstanden. Außerdem soll in diesem Forschungsvorhaben untersucht werden, ob das dissipative Direktionalitäts-Konzept eine Verwendung in der Erzeugung topologisch nichttriviale Zustände in Gitterstrukturen finden kann. Zudem soll eine mögliche Übertragung des dissipativen Direktionalitätskonzept auf fermionische und thermische Transportphänomene untersucht werden.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen