Nichtgleichgewichtsdynamik langreichweitig wechselwirkender Quantensysteme und ihre Anwendungen für die Quantenmetrologie

• Antragsteller: Professor Dr. Daniel Braun; Professor Dr. József Fortágh
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 465199066

In der Quantenmetrologie werden Quanteneffekte wie Interferenz, Verschränkung oder ganz allgemein nicht-klassische Quantenzustände benutzt, um die Empfindlichkeit der Messung physikalischer Größen zu erhöhen. Hierbei spielen Wechselwirkungen eine zentrale Rolle, da sie einerseits nötig sind, um nicht-klassische Zustände zu erzeugen, und andererseits auch selbst mit einer Präzision gemessen werden können, die vorteilhaft mit der Teilchenzahl skaliert. Das Projekt zielt auf diese zweite, soweit wenig erforschte Möglichkeit ab und wird hierzu verschiedene Nichtgleichgewichtszustände in dynamisch getriebenen Quantensystemen mit zeitlich variierenden langreichweitigen Wechselwirkungen untersuchen und ihre Nützlichkeit für die Quantenmetrologie erforschen. Auf der theoretischen Seite werden wir adiabatische und nicht-adiabatische Dynamiken wechselwirkender Vielteilchensysteme studieren und ihre Nützlichkeit für die Erhöhung der Empfindlichkeit, mit der externe Parameter wie elektromagnetische Felder gemessen werden können, untersuchen. Dabei werden wir die Rolle zugrundeliegender Phasenraumstrukturen erkunden und effiziente Quantenalgorithmen zur Simulation offener komplexer Quantensysteme entwickeln und auf einem Quantencomputer implementieren. Von experimenteller Seite werden wir zweidimensionale Wolken ultrakalter Atome, die mit resonanten Lasern an hochangeregte Rydbergzustände gekoppelt sind, in Anwesenheit von kontrollierten elektrischen Feldern herstellen. Kleine und schnelle Änderungen des elektrischen Feldes erlauben, dann nahe der klassischen Ionisierungskante, eine kontrollierte und dynamische Anpassung der entsprechenden langreichweitigen Dipol-Dipol Wechselwirkungsstärke. Dies wird uns erlauben, verschiedene Arten dynamischen Treibens zu realisieren und die Dissipations- und Ionisierungsraten frei einzustellen. Mittels eines Ionenmikroskops mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung werden wir präzise Messungen der räumlichen und zeitlichen Dynamik und der Korrelationen in diesem dynamisch getriebenen wechselwirkenden Quantenystem durchführen. Ein Demonstrator-Experiment zur Messung des elektrischen Feldes mittels langreichweitig wechselwirkender Rydbergatome wird durchgeführt werden.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 5413: Quantenspinsysteme mit langreichweitigen Wechselwirkungen: Experiment, Theorie und Mathematik
• Internationaler Bezug: Großbritannien
• Kooperationspartner: Professor Dr. Henning Schomerus