Implementierung und Anwendung kollektiver Quanteneffekte

ExceedQ ist ein interdisziplinäres Projekt welches sich bei Methoden der Quantenoptik bedient um Wechselwirkungen zwischen Licht und Materie zu verstärken und zu designen. Untersuchte Quantensysteme variieren in der Größe zwischen mikroskopischen (Atome, Moleküle) und makroskopischen [Festkörper-basierte mechanische Resonatoren (MRs)] Skalen. Die Vision dieses Projekts besteht darin neue Ideen sowohl für Grundlagenforschung, als auch für Anwendungen hervorzubringen. Dabei wird ausgenutzt, dass wesentlich bessere Eigenschaften durch kollektive Dynamik im Vergleich zu den Eigenschaften der Einzelteile erzielt werden können. Verschiedene Licht-Materie Wechselwirkungen können grob nach ihren physikalischen Eigenschaften eingeteilt werden: i) Optisch getriebene Systeme mit scharfen Übergangen nahe der Resonanz, sog. Quantenemitter (QEs); und ii) Optomeschanische (OM) Wechselwirkungen welche durch Strahlungsdruck von Photonen auf MRs verursacht werden. Dieser Forschungsantrag ist in 4 Ziele untergliedert. Die Grundidee dieser Ziele basiert auf kollektiver, sowohl kohärente, als auch inkohärenter, Dynamik in Ensembles von QEs. Sowohl die ersten 3 Ziele bauen auf dieser Idee auf, als auch das vierte Ziel, in welchem der OM Phonon-Photon Wechselwirkungens-Mechanismus indirekt durch die Kopplung der QEs vermittelt wird. Die ersten drei Ziele beziehen sich auf mögliche Verwendungen von Ensembles von QEs zum Studium von "Quantum Metrology" (Präzisionsmessungen), Transport, sowie Vielteilchendynamik. Die Kopplung zwischen Emittern entsteht entweder dispersiv oder über eine gemeinsame Kopplung an ein Reservoir. In diesem Projekt werden z.B. Strategien entwickelt um Frequenz-Messungsmethoden via Ramsey- oder Rabi-Spektroskopie unter Verwendung kollektiver Zerfalls- und De-phasing- Prozesse zu optimieren (Ziel 1). Darüber hinaus können kollektive dispersive Wechselwirkungen zur Entstehung symmetrischer Energieanregungen mit verschränkten Zuständen beitragen. Diese können zu Anwendungen in der Quanteninformations-Verarbeitung verwendet werden (Ziel 1). Dispersive Wechselwirkungen stellen auch den Ausganspunkt zur Untersuchung von Quanten- Transporteigenschaften in gekoppelten Ketten von Emittern dar. Ein kollektives Verhalten wird hier durch eine gemeinsame Kopplung an eine Cavity erzwungen. Das Fazit hierbei ist, dass eine solche Kopplung Quanten- und Ladungs-Leitfähigkeiten verbessern kann (Ziel 2). Dies kann neue Anwendungen in der Quantenchemie nach sich ziehen. Atomare Wechselwirkungen mit verstellbarer Stärke und Reichweite bilden die Basis für die Forschung für Ziel 3. In dieser werden ielteilchenwechselwirkungen in dichten ultrakalten Rydberg-Gasen untersucht. Dabei wird "Time- Domain" Interferometrie mit Attosekunden-Auflösung angewandt. Ziel 4, letztendlich, baut auf dem vorherigem Fortschritt des Antragsstellers im Bereich der Vielelemente- sowie Hybrid OM auf. Dieser beruht auf einem Paradigmenwechsel von direkten Photon-Phonon Wechselwirkungen hin zu indirekten (durch QEs) vermittelten Wechselwirkungen. Dabei werden kollektive Wechselwirkungen und Dissipationsprozesse ausgenutzt. ExceedQ wird tiefgreifende Beträge zu einer Vielzahl von Forschungsfeldern leisten. Erwähnenswert sind: i) "Quantum Metrology" (Präzisionsmessungen, insbesondere relevant für realistische durch Dissipation beschränkte Atomuhren); ii) Quantenspeicher (durch selektive Präparierung verschränkter Vielteilchenzustände); iii) Quantentransport (insbesondere Verbesserungen von Quanten- und Ladungstransport mit Hilfe starker Kopplungen zwischen Materialien und Licht, welche durch Cavities ermöglicht werden); iv) Stark gekoppelte Systems (insbesondere Methodenentwicklung zum besseren Verständnis experimenteller ultraschneller "Time-Domain" Ergebnisse im Grenzfall großer Dichten); und v) Quantenoptomechanik (durch die Erforschung alternativer Pfade von traditioneller OM sowie zu stark gekoppelten Hybrid-OM-Systemen).

Ein genaues und tiefes Verständnis der Wechselwirkung von Licht und materiellen Objekten bildet die zentrale physikalische Grundlage eines Großteils moderner technischer Anwendungen. Mit der zunehmenden Miniaturisierung rücken hier quantenphysikalische Beschreibungen zunehmend in den Fokus. In diesem Projekt werden minimalistische Systeme aus gequantelten Dipolen und Lichtmoden unter Beleuchtung mit Laserfeldern mittels analytischen und numerischen Verfahren im Detail modelliert und untersucht. Im Fokus stand dabei die kollektive Absorption oder Streuung von einzelnen Lichtquanten in einer nanoskopischen Anordnung solcher Quantenemitter. Dies erlaubt im Prinzip unter anderem ein verbessertes Verständnis der Genauigkeit von optischen Atomuhren, der Zuverlässigkeit optischer Datenübertragung und Speicherung oder Grenzen beim Aufbau von Lasern im Nanobereich. Die im Zuge dieser Arbeiten entwickelten numerischen Verfahren und Programme sind inzwischen als offene Software öffentlich zugänglich und finden auch vielfältigen Einsatz in der laufenden Quanten Flaggschiff Initiative der EU.