Quantensimulation mit eingestellter Dissipation

In den letzten Jahren wurden auf den Gebieten der Quantenphysik und Quantenkontrolle erhebliche Fortschritte bei der Integration neuartiger Wechselwirkungen mit ultrakalten Atomen erzielt, um exotische Phasen stark korrelierter Materie zu realisieren und Quantenoperationen durchzuführen. Es gibt jedoch noch eine Grenze, die weitgehend unerforscht bleibt, verbunden mit dem Erreichen starker Wechselwirkungen mit langreichweitigen Charakter. Obwohl allgemein bekannt ist, dass photonenvermittelte Wechselwirkungen im Prinzip einen Weg bieten, schränkt in der Praxis eine große und schwer kontrollierte Dissipation in Form von atomarer spontaner Emission das tatsächlich Erreichbare stark ein. Für dieses Verbundprojekt QuSiED besteht der angestrebte Durchbruch darin, diese Barriere zu überwinden, indem eine neue Plattform entwickelt wird, die aus einem optischen Ytterbium- Pinzettenarray mit vielen Atomen besteht, welches in einen Hohlraum-QED-Aufbau integriert ist. Während spontane Emission typischerweise die Wechselwirkungstreue von Licht-Materie- gekoppelten Systemen begrenzt, wird unser Aufbau stattdessen spontane Emission als eine korrelierte Form der Dissipation nutzen, die unterdrückt und sogar für die Dissipationstechnik genutzt werden kann, da die Atome kontrollierbar mit einer Entfernung im Subwellenlängenbereich positioniert werden können. In enger Zusammenarbeit zwischen Theorie und Experiment wird eine neue Apparatur in Betrieb genommen, die ultrakalte Yb-Atome, eine optische Pinzette für den Subwellenlängenabstand der Atome und einen hochfeinen Resonator kombiniert. Die erwartete Steigerung der Interaktionstreue (bis zu einem Niveau von ca. 99 Prozent) und die Vielseitigkeit bei der Kontrolle der langreichweitigen Wechselwirkung und der Dissipation werden eine solche Plattform zu einem führenden Kandidaten für zukünftige Anwendungen in der Quantensimulation und -metrologie machen, da sie in der Lage sein wird, neue exotische dissipative Materiephasen zu produzieren, zu untersuchen und zu nutzen. Ein solcher Gewinn gegenüber den derzeitigen Fähigkeiten wird aus neuartigen experimentellen Fortschritten, einem neuen konzeptionellen Paradigma der Licht- Materie-Wechselwirkungen und neuen theoretischen Ansätzen resultieren, die von den verschiedenen QuSiED-Partnern miteinander kombiniert werden. QuSiED wird grundlegende Probleme wie die Bildung dissipativer Phasen ohne thermodynamisches Gegenstück sowie Aspekte der Vielteilchen-Quanteninformationswissenschaft untersuchen, die vom Verschränkungstransport in der Gegenwart von künstlicher Dissipation bis zu Anwendungen für die Metrologie reichen. Die Realisierung der einzigartigen Tweezer-Cavity-Plattform wird einen erheblichen Vorteil für das Rennen der EU um die Quantenvorherrschaft schaffen, da das vielfältige QuSiED-Konsortium interdisziplinäres Wissen schafft, das von grundlegenden bis zu angewandten Aspekten langreichweitiger photonenvermittelter Wechselwirkungen und technischer Dissipation reicht.

Das Projekt Quantum Simulation with Engineered Dissipation (QuSiED) erforschte neue Wege, um quantenphysikalische Systeme aus Licht und Atomen zu kontrollieren und zu verstehen. Es war Teil des europäischen QuantERA-Forschungsnetzwerks und vereinte Forschungsgruppen aus Österreich, Slowenien, Ungarn, Spanien und Deutschland. Das Innsbrucker Team konzentrierte sich auf den Aufbau einer neuartigen Experimentieranlage, in der ultrakalte Ytterbium-Atome in einer Hochpräzisions-Optischen Kavität gefangen werden. In dieser Umgebung können die Atome über gemeinsame Photonen wechselwirken, wodurch sich kollektive Quanteneffekte untersuchen und neuartige Schnittstellen zwischen Licht und Materie für zukünftige Quantenkommunikationstechnologien entwickeln lassen. Im Verlauf des Projekts wurden bedeutende technische Fortschritte erzielt. Das Team konstruierte die komplette Ultrahochvakuum-Apparatur, kühlte Ytterbium-Atome mithilfe von Laserlicht auf etwa 20 Mikrokelvin ab und erzeugte erstmals Bose-Einstein-Kondensate (BECs) von Ytterbium in diesem Aufbau. Darüber hinaus wurde eine vibrationsisolierte Kavitätsplattform für präzise Messungen entwickelt sowie ein optisches Pinzetten-System mit hoher Auflösung für die Kontrolle einzelner Atome realisiert. Diese Ergebnisse schaffen die Grundlage für zukünftige Experimente zu photon-vermittelten Quantenwechselwirkungen und gezielt eingesetzter Dissipation. Das Projekt wurde von einem kleinen, engagierten Team durchgeführt, darunter ein durch QuantERA geförderter Postdoc, Dr. Dizhou Xie, und der Doktorand Reza Masala Nejad, der einen Großteil der experimentellen Arbeit leitete. Auch wenn bisher keine Publikationen entstanden sind, hat QuSiED die wesentliche Infrastruktur und Expertise aufgebaut, um Quantensimulation und Quantenkommunikation in Österreich und Europa entscheidend voranzubringen.