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Projekt
T2 Ultrakalte Atome als Quantensimulatoren für offene Systeme
Antragsteller
Professor Dr. André Eckardt
Fachliche Zuordnung
Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
Förderung
Förderung seit 2024
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 521530974
Ultrakalte Atome sind extrem kontrollierbare und saubere künstliche Quantensysteme, mit deren Hilfe sich interessante Materiezustände im und fern des Gleichgewichts studieren lassen. Eine einzigartige Eigenschaft dieser Systeme ist ihr hoher Grad an Isolation von ihrer Umgebung. In diesem Projekt wollen wir erforschen, wie diese Abwesenheit unkontrollierter Dissipation ausgenutzt werden kann, um offene Systeme mit kontrollierter Dissipation gezielt zu erzeugen. In enger Zusammenarbeit mit den anderen experimentellen und theoretischen Projekten der Forschungsgruppe, möchten wir die Fähigkeit atomarer Quantengase als Quantensimulatoren für offene Quantensysteme zu dienen erforschen und erweitern. Jenseits ultraschwacher System-Bad-Kopplung und fern des Gleichgewichts hängt der Zustand des Systems von den Details der Umgebung ab (und nicht allein von deren Temperatur, chemischem Potenzial usw.). Daher ist eine akkurate theoretische Beschreibung des offenen Systems von entscheidender Bedeutung. Wir planen Master- und stochastische Gleichungen für Quantengassysteme mit vollständig bekannten künstlich erzeugten Bädern mikroskopische herzuleiten, wobei wir verschiedene Ansätze (wie, unter anderem, Born-Markov-Theorie oder unsere kanonisch konsistente Quanten-Master-Gleichung) verwenden werden. Durch den Vergleich ihrer Vorhersagen für drei relevante Szenarien (starke System-Bad-Kopplung, stationäre Nichtgleichgewichtszustände eines offenen angetriebenen Systems sowie transiente Relaxationsdynamik) mit Experimenten in Hamburg und München werden wir diese Ansätze einem Benchmarking unterziehen und ihre Gültigkeitsbereiche erkunden. Wir werden ferner Strategien zur In-situ-Kühlung optischer Gittersysteme entwickeln. Der Schwerpunkt liegt auf bosonischen Mott-Isolatoren, wobei die Verallgemeinerung auf andere Vielteilchen-Zustände mit Energielücke einfach sein sollte. Mit Standardverfahren ist es bereits möglich, einen Mott-Isolator zu präparieren, der nur durch einen kleinen Anteil thermischer Teilchen-Loch-Anregungen kontaminiert ist. Um auch diese zu entfernen, werden wir einen array von Einweg-Reservoirs entwerfen, von denen jedes in der Lage ist, jeweils eine Anregung energieselektiv aus dem System zu entfernen. Wir werden eng mit dem Münchner Team zusammenarbeiten, das an der Implementierung arbeiten wird. Schließlich wollen wir ein Schema für ein Proof-of-Principle-Experiment für Quantenrückkopplungskontrolle im Resonator-Experiment in Zürich entwickeln. Herbei soll eine Heterodyn-Messung von Photonen, die von den Atomen aus einem strukturierten Strahl in eine Resonatormode gestreut werden mit einem messabhängigen Antrieb kombiniert werden. Insbesondere streben wir die Kontrolle von Nicht-Gleichgewichts-Bose-Kondensaten an, bei denen wir davon ausgehen, dass die zu erwartenden Messeffizienzen von nur etwa 10 Prozent durch erhöhte Bosonendichten kompensiert werden können.
DFG-Verfahren
Forschungsgruppen
Mitverantwortlich
Dr. Alexander Schnell
