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Kollektive Quantenphänomene in dissipativen Systemen - Wege zur Anwendung von Zeitkristallen in Sensorik und Metrologie

01.09.2024 bis 31.08.2027

Die Quantentechnologie verspricht eine Revolution in den Bereichen Datenverarbeitung, Kommunikation und Metrologie. Der derzeitige Ansatz zur Erschließung dieses Potenzials beruht auf skalierbaren und vollständig kohärenten Plattformen. Trotz der Existenz einer quantum technology roadmap und dem Verständnis der Notwendigkeit von Elementen wie der Quantenfehlerkorrektur, ist es derzeit unklar, ob die dafür erforderlichen technologischen Durchbrüche tatsächlich vollständig erreichbar sind.
Dieses Projekt geht einen neuen Weg und versucht, Quantenressourcen zu identifizieren und zu realisieren, die durch die Ausnutzung kollektiver Phänomene in offenen Systemen einen möglichen Quantenvorteil bieten. Der Vorteil dieses Ansatzes ist, dass er nicht von vornherein auf perfekte Kohärenz setzt. Stattdessen wird das Wechselspiel zwischen kohärenten Wechselwirkungen und dissipativen Prozessen ausgenutzt, von dem man sich ein Maß an Robustheit gegenüber externen Störungen verspricht. Ein bekanntes Beispiel sind so genannte dissipative Zeitkristalle, die eine Vielkörperphase darstellen, die anhaltende und wohldefinierte zeitliche Oszillationen aufweist, obwohl ihre dynamische Entwicklung stark von inkohärenten Prozessen beeinflusst wird.
Ziel dieses Projekts ist es, solche Vielkörperphasen allgemeiner zu identifizieren und zu charakterisieren und Experimente durchzuführen, die ihre Anwendbarkeit in Protokollen für Sensorik und Zeitmessung demonstrieren. Wir werden uns hierfür auf Spin-Bosonen-Modelle konzentrieren, die einfache, aber grundlegende und weithin relevante Vielteilchen-Quantensysteme darstellen. Im Rahmen unseres Konsortiums werden wir ein solches System unter Verwendung von Kristallen aus gefangenen Ionen implementieren, die einen ultralanglebigen und zustandsunabhängigen Einschluss von einzeln adressierbaren Quantenteilchen bieten. Kristallschwingungen vermitteln Wechselwirkungen zwischen den Teilchen und ermöglichen eine in-situ Kühlung. Letzteres ist unverzichtbar, da nur so die Langzeitstabilität und das kontinuierliche Auslesen dissipativer Vielteilchenphasen erreicht werden kann. Abgesehen von der Fähigkeit, Quantenressourcen nach Bedarf zu erzeugen, erlaubt uns diese hochgradig kontrollierbare Plattform, ein Spektrum wichtiger grundlegender Fragen anzugehen. Dieses reicht von der konsistenten Formulierung offener Quanten-Vielteilchendynamik unter periodischem Antrieb bis hin zur Verwendung von (zeitverzögertem) Feedback zur Kontrolle dissipativer Dynamik.
Um dieses ehrgeizige Ziel zu erreichen, werden wir verschiedene theoretische Techniken kombinieren, darunter analytische Ansätze, auf Tensornetzwerken basierende numerische Simulationen, Quantentrajektorienanalysen und von maschinellem Lernen inspirierte. All dies wird im Rahmen unseres interdisziplinären Konsortiums erreicht, das Experten für die Theorie offener Quantensysteme, Quantenoptik und Physik der kondensierten Materie sowie für die experimentelle Physik gefangener Ionen vereint.