Experimente und Theorien zu Ressourcen in den Quantentechnologien

• Antragsteller: Professor Dr. Martin Bodo Plenio; Professor Dr. Kilian Singer
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 499241080

Die Entstehung der Quanteninformationswissenschaft und die anschließende Entwicklung von Quantentechnologien (QT) ist fest verwurzelt in der neuen Erkenntnis der Wichtigkeit physikalischer Eigenschaften wie kohärente Überlagerung, Verschränkung und Entropie als Ressourcen. Diese Ressourcen liefern den Treibstoff für QT, der es ihnen ermöglicht, eine Effizienz zu erreichen, die über die von der klassischen Physik gesetzten Grenzen hinausgeht. Die optimale Nutzung von Ressourcen in QT erfordert als Grundlage sowohl einen soliden mathematischen Rahmen für eine rigorose Charakterisierung, Manipulation und Verifizierung von Quantenressourcen als auch experimentelle Technologien, mit denen sie in der Praxis manipuliert werden können. Aufbauend auf diesen Grundlagen können Theorie und Experiment gemeinsam Protokolle und Geräte entwerfen und realisieren, um optimierte QT zu liefern.Zu diesem Zweck wird ExTRaQT:i) Entwicklung der mathematischen Grundlagen von Ressourcentheorien für Zustände, Operationen und Dynamik entwickeln und sie speziell auf die Ressourcen der Kohärenz und auf thermodynamische Prozesse auf der Quantenskala anwenden. Die Schlüsselprozesse in diesen Ressourcentheorien werden identifiziert, um sie als Grundlage für ihre experimentelle Umsetzung zu nutzen.ii) Theoretischer Entwurf und numerische Optimierung von experimentellen Entwürfen für wichtige Ressourcen-Manipulationsprozessen und Wärmemaschinen auf Quantenebene auf der Grundlage realistischer Parameter der experimentellen Plattformen für gefangene Ionen und für biomolekulare Systeme.iii) Nutzung von Ionenfallen-Quantentechnologien zur Realisierung von Quantenwärmemaschinen auf atomarer Ebene in Kontakt mit klassischen und Quantenwärmebädern und Analyse ihrer Leistung im Hinblick auf die Ressourcentheorie der Quantenthermodynamik. Entwurf und Realisierung eines Quantensimulators für offene Quantensysteme in Kontakt mit strukturierten Reservoiren, der in der Lage ist, die Dynamik von biomolekularen Systemen zu emulieren.iv) Beobachtung der kohärenten Elektronen-Vibrations-Quanten-Transportdynamik in biomolekularen Systemen, Bewertung der Rolle der kohärenten Dynamik und Analyse dieser Dynamik in Bezug auf Quantenwärmekraftmaschinen. Die Elektronen- und Schwingungsstruktur dieser Systeme wird so angepasst, dass eine Kontrolle der thermodynamischen Prozesse in solchen Systemen möglich ist.Die einzelnen Mitglieder von ExTRaQT haben grundlegende Beiträge zu allen Aspekten des Projektthemas geleistet. In ExTRaQT werden sie zum ersten Mal eine integrierte interdisziplinäre Zusammenarbeit bilden, um Ressourcentheorien zu entwickeln und sie experimentell für verbesserte QT sowie für die Untersuchung der Quantendynamik in biologischen Systemen anzuwenden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich, Polen, Spanien
• Mitverantwortliche: Professorin Dr. Susana Huelga; Professor Dr. Daqing Wang
• Kooperationspartner: Professor Dr. Michal Horodecki; Professor Dr. Niek F. van Hulst; Dr. Alexander Streltsov; Professor Dr. Andreas Winter