Kontinuierliche Quantenmessungen für Vielteilchensysteme

Die Dynamik von Quanten-Vielteilchensystemen ist aufgrund des enormen Rechenaufwands schwer vorherzusagen. In den letzten Jahren haben sich Quantensimulatoren aus ultrakalten Atomen als hochgradig kontrollierte Plattform zur Untersuchung der Quantendynamik in verschiedenen Regimen herausgebildet. In QuOntM werden wir neue Technologien entwickeln, um Informationen aus Quantensimulatoren zu extrahieren. Unsere Entwicklungen werden auf der Möglichkeit basieren, die Entstehung eines bestimmten Modells bei der Durchführung der Quantensimulation zu verifizieren. Dazu werden wir Methoden zum Lernen der effektiven Hamiltonoperatoren für kontinuierliche Systeme etablieren. Durch die Übertragung von Methoden für mikroskopische Theorien auf Quantenfeldtheorien werden wir in der Lage sein, durch Messungen des Quantensimulators auf den realisierten effektiven Hamiltonoperator zu schließen. Unsere experimentellen Studien basieren auf der etablierten Plattform von ATOMCHIP, bei der Rubidium-Atome magnetisch in einer eindimensionalen Fallengeometrie eingefangen werden. Wir werden oszillierende hochfrequente Magnetfelder verwenden, um eine kontrollierbare Menge von Atomen aus dem System auszukoppeln; diese ausgekoppelten Atome dienen als Quantensonde für die Eigenschaften des Systems. Der Nachweis der Atome mit einem Einzelatom-empfindlichen Fluoreszenz-Bildgebungssystem wird es uns ermöglichen, schwache, wiederholte Untersuchungen durchzuführen, während die Quantenhaftigkeit des Systems erhalten bleibt. Schließlich werden uns diese Methoden ermöglichen, die Korrelationsfunktion in ungleicher Zeit zu untersuchen, was uns neue Einblicke in die Dynamik fern vom Gleichgewicht geben wird. Letztendlich wollen wir unsere Methode in das Regime der kontinuierlichen Messung bringen. Unser Ziel ist es, die zugänglichen physikalischen Phänomene zu bereichern, indem wir die Systeme für eine Umgebung öffnen und gleichzeitig alle Informationen aufzeichnen, die aus dem System verloren gehen. Dies wird den Zugang zu bisher unerforschten Quantenphänomenen ermöglichen.

Dieses Projekt entwickelte und demonstrierte neue Methoden zur Messung, Steuerung und Verifizierung komplexer Quanten-Vielteilchensysteme durch die Kombination von Theorie, Experiment und fortschrittlichen datengetriebenen Techniken. Das Verständnis von Quanten-Vielteilchensystemen - Ansammlungen vieler wechselwirkender Quantenteilchen - zählt zu den zentralen Herausforderungen der modernen Physik. Sie bilden die Grundlage für zukünftige Quantentechnologien, doch ihre Komplexität erschwert ihre Untersuchung und Verifizierung mit herkömmlichen Messmethoden erheblich. Ziel unseres Projekts war es, diese Einschränkungen durch die Entwicklung neuer Strategien zur Informationsgewinnung aus Quanten-Vielteilchensystemen zu überwinden und dabei die fundamentalen Beschränkungen der Quantenmechanik zu berücksichtigen. Wir untersuchten neuartige Ansätze zur Messung von Quantensystemen und konnten neue Mess- und Informationsgewinnungsschemata sowohl theoretisch entwickeln als auch experimentell implementieren. Ein zentraler Erfolg war die Entwicklung des Hamilton-Lernens als praktisches Werkzeug zur Verifizierung von Quantenfeldsimulatoren. Anstatt anzunehmen, dass sich ein Simulator wie vorgesehen verhält, ermöglicht das Hamilton-Lernen die direkte Ableitung der zugrunde liegenden physikalischen Gesetze aus den Messdaten und bietet somit eine leistungsstarke und skalierbare Methode zur Validierung und zum Benchmarking. Parallel dazu realisierten wir eine quantenlimitierte Messung nichtkommutierender Observablen. Da die Quantenmechanik simultane präzise Messungen solcher Observablen verbietet, erfordert der Zugriff auf ihre Information sorgfältig entwickelte Messprotokolle. Unsere Arbeit demonstrierte, wie sich maximale Information unter Ausschöpfung fundamentaler Quantengrenzen extrahieren lässt, wodurch neue Möglichkeiten zur Untersuchung von Dynamik und Korrelationen in Vielteilchensystemen eröffnet werden. Um die zugänglichen Bereiche unseres Quantensimulators weiter auszubauen, integrierten wir Techniken des maschinellen Lernens und Methoden der optimalen Steuerung. Diese Werkzeuge ermöglichten die Erzeugung von Quantenzuständen, die mit traditionellen Ansätzen schwer oder gar nicht erreichbar sind. Durch effizientes Navigieren in komplexen Steuerungslandschaften konnten wir neue Betriebsregime stabilisieren und die Leistung und Flexibilität des Simulators verbessern. Schließlich entwickelten wir ein neuartiges Resonatordesign, das als hochempfindliches Quantenmikroskop fungiert. Diese Resonatorarchitektur verstärkt die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie dramatisch und ermöglicht präzise Messungen kollektiver Quanteneigenschaften. Neben der Sensorik bietet der Resonator auch neue Wege zur Steuerung von Vielteilchensystemen, beispielsweise durch die Vermittlung von Wechselwirkungen über große Entfernungen oder die Ermöglichung von messungsbasierter Rückkopplung. Schließlich ermöglicht eine experimentelle Weiterentwicklung dieses Projekts lokale, kontinuierliche Messungen eines tunnelgekoppelten Bose-Gases. Dies stellt einen bedeutenden Fortschritt dar, da es die Echtzeitbeobachtung räumlich aufgelöster Quantendynamiken erlaubt, ohne das System zu zerstören. Zusammengenommen schaffen diese Fortschritte eine vielseitige Plattform zur Erforschung der Quanten-Vielteilchenphysik und legen den Grundstein für zukünftige Quantentechnologien, die auf präziser Messung, Verifizierung und Steuerung basieren.