Quantensysteme von neutralen Atomen mit hoher Konnektivität

Viele wichtige Vorgänge in der Natur sind zu komplex, um von klassischen Computern vollständig beschrieben zu werden. So steigt beispielsweise der rechnerische Aufwand für eine quantenmechanische Beschreibung neuartiger Materialien oder chemischer Reaktionen exponentiell mit der Zahl der beteiligten Teilchen an, sodass selbst die leistungsfähigsten Supercomputer an ihre Grenzen stoßen. Mit Hilfe sogenannter Quantensimulatoren könnte diese Grenze in Zukunft überwunden werden, sodass sich Phänomene untersuchen lassen, die für klassische Computer nur schwer oder gar nicht zugänglich sind. Auf dem Weg zu solchen Anwendungen spielen ultrakalte Atome und Moleküle eine zentrale und vielversprechende Rolle: In aktuellen Experimenten lassen sie sich bereits heute bei extrem tiefen Temperaturen individuell und präzise manipulieren. Dadurch können einzelne Teilchen so präpariert werden, dass sie denselben quantenmechanischen Regeln folgen wie das zu untersuchende Problem. Um dieses enorme Potenzial zur Simulation komplexer Fragestellungen jedoch voll auszuschöpfen, wird es künftig notwendig sein, eine hohe Vernetzung und quantenmechanische Verschränkung vieler, auch weit voneinander entfernter Teilchen zu realisieren. Genau dies ist das Ziel des Sonderforschungsbereichs Qnnect, in dem Wissenschaftler:innen aus Theorie und Experiment in einem interdisziplinären Forschungsprogramm an den Schnittstellen von Atomphysik, Quantenoptik und Vielteilchentheorie zusammenarbeiten. Das gemeinsame Ziel von insgesamt acht Forschungsgruppen der TU Wien, der Universität Wien, des ISTA, der Universität Innsbruck, des IQOQI Innsbruck (ÖAW) und der LMU München ist es, mithilfe neuer Konzepte den Grundstein für die nächste Generation von Quantensimulatoren zu legen. Dabei werden ausgewählte Atome und Moleküle in künstlichen Gitterstrukturen aus Laserlicht gefangen, nach dem Baukastenprinzip zu großen Architekturen zusammengesetzt und unter Ausnutzung ihrer langreichweitigen Wechselwirkungen quantenmechanisch vernetzt. Mit der Realisierung und Untersuchung solcher Quantensysteme, die nun erstmals experimentell zugänglich werden, verspricht die geplante Kooperation nicht nur ein tieferes Verständnis neuartiger Materiezustände, sondern auch praktische Durchbrüche auf dem Gebiet der Quantentechnologie.