Grundlagen und Anwendungen der Quantenphysik

Die Forschung im Rahmen des beantragten SFBs umfasst theoretische und experimentelle Untersuchungen auf dem Gebiet der Quantenoptik und Quanteninformation mit besonderem Augenmerk in Fragen sowohl der Grundlagen als auch der Anwendungen der Quantenphysik. Während der zurückliegenden zehn Jahre hat das Konsortium gelernt, immer komplexere Quantensysteme zu beherrschen. Daher wird die beabsichtigte Forschung eine Reihe von ganz verschiedenen Quantensystemen für die Fragestellungen einsetzen. Diese reichen von einzelnen Photonen aus parametrischer Abkonversion in Kristallen und von einzelnen Atomen, in einzelnen Fällen zusammen mit Hochfinesse-Resonatoren, über einzelne gespeicherte und Laser-gekühlte Ionen in elektrodynamischen Fallen und Ensembles von gekühlten Atomen und Molekülen in Fallen zu ultrakalten Gasen, komplexen Molekülen in Interferometern, mesoskopischen Quantensystemen und verschiedenen Kombinationen davon. Das Ziel des Forschungsprogramms ist die fokussierte und kollaborative Forschung zu fundamentalen Fragen der Quanteninformation, zur Quantenoptik mit Atomen und Photonen sowie zu deren Anwendungen für Rechenprobleme, die Kommunikation und für die Metrologie. Darüber hinaus ist ein generelles Ziel des SFBs, die Untersuchungen mehr und mehr in Richtung der "quanten-klassischen" Grenze zu führen. Während die Gesetze der klassischen Physik das Verhalten großer System bekanntlich beschreiben, ist es immer noch weitgehend unbekannt und kaum untersucht, wo und wie der Übergang von quantenmechanisch zur klassisch zu beschreibenden Welt auftaucht. Zunehmend komplexe Systeme bieten eine große Vielfalt von neuen Phänomenen und Eigenschaften, die für die Lösung technischer Fragen und Probleme eingesetzt werden können. Zum Beispiel erlaubt die Möglichkeit der Kontrolle und Manipulation größerer Register von Quantenobjekten den Bau von Quantencomputern, oder allgemeiner, von Quantenapparaten für die verbesserte Metrologie und Sensortechnologie. Während der breite Recheneinsatz von solchen Maschinen noch recht fern scheint, kann die Skalierung solcher Systeme mit Hilfe von einzelnen Quantenbausteinen, die individuell kontrollierbar sind, bereits sehr praktische Geräte liefern, wie zum Beispiel die so genannten Quanten-Repeater, fortgeschrittene Atomuhren, hochempfindliche Detektoren usw. Das theoretische Verständnis und die experimentelle Beherrschung von kleinen und mesoskopischen Quantensystemen kann dann verwendet werden für die Simulation von Systemen, die mit klassischen Rechnern nicht mehr zu bewältigen sind.