Nichtgleichgewichtsdynamik langreichweitig wechselwirkender Quantensysteme und ihre Anwen- dungen für die Quantenmetrologie - Theorie

01.09.2022 bis 31.08.2026

In der Quantenmetrologie werden Quanteneffekte wie Interferenz, Verschränkung oder ganz allgemein nicht-klassische Quantenzustände benutzt, um die Empfindlichkeit der Messung bestimmter physikalischer Größen zu erhöhen. Hierbei spielen Wechselwirkungen eine wichtige 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 getriebenen Quantensystemen mit 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. Wir werden die Rolle zugrundeliegender Phasenraumstrukturen erhellen und effiziente Quantenalgorithmen zur Simulation offener komplexer Quantensysteme entwickeln und implementieren. Auf der experimentellen Seite werden wir zweidimensionale Wolken ultrakalter gefangener Atome, die mit resonanten Lasern an hochangeregte Rydbergzustände gekoppelt sind, in Anwesenheit von kontrollierten elektrischen Feldern herstellen. Kleine und schnelle Änderungen des elektrischen Felder erlauben eine dynamische Justierung der entsprechenden langreichweitigen Dipol-Dipol Wechselwirkungsstärke. Dies wird uns erlauben, verschiedene Arten dynamischen Treibens zu realisieren und die Abregungs- und Ionisierungsraten einzustellen. Mittels eines Ionenmikroskops mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung werden wir präzise Messungen der räumlichen und zeitlichen Dynamik und der Korrelationen in diesem getriebenen wechselwirkenden Quantenystem durchführen. Ein Demonstrator-Experiment zur Messung des elektrischen Felder mittels langreichweitig wechselwirkender Rydbergatome wird durchgeführt werden.