Magnetische Atome: Vielteilchenphysik und Quantentechnologie

Das Ziel dieses Projektes ist die Untersuchung von neuartiger Vielteilchenphysik sowie die Entwicklung neuer Quantentechnologien mithilfe der einzigartigen Möglichkeiten, die von Systemen ultrakalter magnetischer Atome mit großem Spin wie Erbium und Dysprosium geboten werden. Die langreichweitige, magnetische Dipol-Dipol-Wechselwirkung hat drastische Auswirkungen auf das Verhalten der Atome im Bereich entarteter Quantengase und führt zur Entstehung neuartiger Vielteilchenzustände. Sie ermöglicht zum Beispiel die Bildung eines sogenannten Superfestkörpers, der sowohl Festkörpereigenschaften wie eine kristalline Struktur als auch Eigenschaften einer suprafluiden Flüssigkeit aufweist. Zusätzlich erlaubt die reichhaltige interne elektronische Struktur dieser Atome eine Verwendung der intrinsisch stabilen magnetischen Unterzustände in der Quantencomputation und Quanteninformations- verarbeitung in einer Art und Weise, welche die derzeitigen Standardmethoden, basierend auf Zwei-Niveau-Systemen (Qubits), durch die Ausnutzung dieses Viel-Niveau-Systems (Qudits) deutlich erweitert. DiesesGemeinschaftsprojekt,bestehend aus den führendentheoretischen und experimentellen Arbeitsgruppen aus Österreich (Universität von Innsbruck) und Russland (Russisches Quantenzentrum Moskau), hat zwei Hauptziele: Zum einen wollen wir sowohl theoretisch wie auch experimentell neuartige Quanten-Vielteilchensysteme studieren. Dazu gehört die Untersuchung suprasolider Zustände in dipolaren Quantengasen aus magnetischen Atomen in unterschiedlichen Fallengeometrien sowie der experimentelle Nachweis der kristallinen Ordnung und der Suprafluidität. Ebenfalls untersucht werden dipolare Systeme in ungeordneten Umgebungen (zufälligen Potentialen), wobei hier einerseits die Auswirkungen auf fermionische Zwei-Komponenten Quantengase und andererseits der faszinierende Übergang zwischen ergodischen und nicht-ergodischen Zuständen im Fokus stehen. Zum anderen wollen wir die Möglichkeit, magnetische Atome als potentielle Plattform für Quantencomputation und Quanteninformationsverarbeitung zu verwenden, analysieren und entsprechende experimentelle Methoden entwickeln. Konkret wollen wir deren Anwendung als Qudits Viel-Niveau-Systeme mit der Möglichkeit der Kodierung mehrerer Qubits in einem atom untersuchen. Solche Systeme erlauben eine deutliche Reduzierung der benötigten physikalischen Elemente und Quantenoperationen sowie eine Parallelverarbeitung bereits in einzelnen Atomen mit niedrigeren Fehlerraten im Vergleich zu Qubit-Systemen. Wir werden auch Quantenalgorithmen suchen, welche durch Verwendung von Qudit-Plattformen möglichst effizient beschleunigt werden können.

Dieses Projekt widmet sich Systemen aus magnetischen Atomen - Atomen, die aufgrund ihrer magnetischen Momente in viel größeren Entfernungen miteinander interagieren als nichtmagnetische Atome. Die Stärke dieser Wechselwirkung hängt stark von der Orientierung ihrer magnetischen Momente ab. Daher werden Systeme aus magnetischen Atomen als eine sehr vielversprechende Plattform für grundlegende Studien zu Vielteilchen-Quantenphänomenen sowie für die Entwicklung neuartiger Quantentechnologien betrachtet, die es ermöglichen, Quantensysteme auf der Ebene eines einzelnen Atoms zu entwerfen, zu steuern und zu manipulieren. Wir haben sowohl experimentell als auch theoretisch mehrere neuartige Vielteilchen-Quantenzustände und Phänomene untersucht, die stark mit den langreichweitigen Dipol-Dipol-Wechselwirkungen zwischen magnetischen Atomen verbunden sind oder nur aufgrund dieser existieren. Einer dieser Zustände ist das dipolare Superfluid - ein Ensemble magnetischer Atome mit der Fähigkeit, reibungsfrei zu fließen, das sehr spezifische Eigenschaften aufweist. Ein weiterer ist der faszinierendste und rätselhafteste Materiezustand - das Supersolid, das in einem System magnetischer Atome eine kristalline Ordnung (wie ein Festkörper) mit der Fähigkeit zu reibungsfreiem Fluss (wie ein Superfluid) kombiniert. Die oben genannten Untersuchungen wurden von genauen Messungen der Eigenschaften magnetischer Atome sowie der Entwicklung optischer Werkzeuge zur Manipulation der inneren Quantenzustände magnetischer Atome begleitet - die ersten notwendigen Schritte zur Entwicklung von Quantenbauelementen.