Ultrastarke Licht-Materie Kopplung

Im Laufe der letzten Jahrzehnte haben eine Vielzahl von grundlegenden Experimenten und theoretischen Überlegungen zu unserem heutigen, äußerst präzisen Verständnis über die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie auf dem Niveau einzelner Photonen und Atome geführt. Diese Erkenntnisse haben nicht nur zu weiteren erstaunlichen Einsichten über die Gesetze der Quantenmechanik beigetragen, sondern auch die Entwicklung von neuartigen Technologien zur Quantenkommunikation und Quanteninformationsverarbeitung inspiriert. Trotz dieser beachtlichen theoretischen und experimentellen Fortschritte, gibt es aber immer noch grundlegende offene Fragen auf diesem Gebiet. Dies betrifft vor allem den Bereich der sogenannten ultrastarken Kopplung, d.h. wenn die Wechselwirkung zwischen Materie und Licht so stark ist, dass die Bindungsenergie einzelner Photonen sogar die Energie, die zur Erzeugung der Photonen benötigt wird, übertrifft. Unter diesen Bedingungen verliert unsere übliche Vorstellung von der Interaktion von Licht mit Materie, ja sogar der Begriff eines Photons, an Bedeutung. Mit diesem Projekt soll ein fundiertes theoretisches Verständnis für die Physik von Licht-Materie Systemen unter diesen extremen Konditionen erarbeitet werden. Obwohl diese Bedingungen mit gewöhnlichen Atomen und Photonen nur sehr schwer zu erreichen sind, ist es möglich, solche ultrastarken Kopplungen in künstlichen Systemen zu reproduzieren, wo z.B. Atome durch entsprechende supraleitenden Schaltkreise und optische Photonen durch quantisierte Anregungen von Mikrowellenresonatoren ersetzt werden.In solchen künstlichen Systemen, welche derzeit in verschiedenen Laboren auf der ganzen Welt untersucht werden, kann die Kopplung zwischen Atomen und Photonen fast nach Belieben maßgeschneidert werden. Für theoretische Studien ermöglicht diese Flexibilität die Analyse von Kopplungseffekten sowohl in konzeptuell einfachen als auch in komplexeren Konfigurationen durchzuführen und dadurch die universelle Gesetzmäßigkeiten zu identifizieren. Die sich daraus ergebenden Erkenntnisse werden nicht nur einen wesentlichen Beitrag zu unserem grundlegenden Verständnis von Licht-Materie-Wechselwirkungen beitragen, sondern auch gleichzeitig die theoretische Basis für mögliche Anwendungen dieser Effekte, z.B. für neuartige Methoden zur Quanteninformationsverarbeitung mit supraleitenden Schaltkreisen, bilden.

Im Laufe der letzten Jahrzehnte haben eine Vielzahl von grundlegenden Experimenten und theoretischen Überlegungen zu unserem heutigen, äußerst präzisen Verständnis über die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie auf dem Niveau einzelner Photonen und Atome geführt. Diese Erkenntnisse haben nicht nur zu weiteren erstaunlichen Einsichten über die Gesetze der Quantenmechanik beigetragen, sondern auch die Entwicklung von neuartigen Technologien zur Quantenkommunikation und Quanteninformationsverarbeitung inspiriert. Trotz dieser beachtlichen theoretischen und experimentellen Fortschritte gibt es aber immer noch grundlegende offene Fragen auf diesem Gebiet. Dies betrifft vor allem den Bereich der sogenannten ultrastarken Kopplung, d.h. wenn die Wechselwirkung zwischen Materie und Licht so stark wird, dass die Bindungsenergie einzelner Photonen sogar die Energie, die zur Erzeugung der Photonen benötigt wird, übertrifft. Unter diesen Bedingungen verliert unsere übliche Vorstellung von der Interaktion von Licht mit Materie, ja sogar der Begriff eines "Photons", an Bedeutung. Obwohl diese Bedingungen mit gewöhnlichen Atomen und Photonen nur sehr schwer zu erreichen sind, ist es möglich, solche ultrastarken Kopplungen in künstlichen Systemen zu reproduzieren, wo z.B. Atome durch entsprechende supraleitenden Schaltkreise und optische Photonen durch quantisierte Anregungen von Mikrowellenresonatoren ersetzt werden. In solchen künstlichen Systemen, welche derzeit in verschiedenen Laboren auf der ganzen Welt untersucht werden, kann die Kopplung zwischen 'Atomen' und 'Photonen' fast nach Belieben maßgeschneidert werden. Das allgemeine Ziel dieses Projekts war die Physik von ultrastark gekoppelten Licht-Materie Systemen mit analytischen und numerischen Methoden zu untersuchen und dadurch ein fundiertes theoretisches Verständnis für die Eigenschaften von Systemen unter diesen extremen Konditionen zu entwickeln. Als eines der wichtigsten Ergebnisse dieses Projekts haben wir zum ersten Mal den quantenmechanischen Grundzustand eines solchen Systems bestimmt, eine wichtige theoretische Frage, die in diesem Gebiet schon seit fast 50 Jahren sehr kontrovers diskutiert wird. Diese Berechnungen haben auch gezeigt, wie die ultrastarke Kopplung mit Lichtteilchen thermodynamische Eigenschaften von Materialen und Phasenübergänge beeinflussen kann. Neben diesen und vielen weiteren eher theoretischen Untersuchungen, haben wir uns in diesen Projekt aber auch mit möglichen praktischen Anwendungen dieser ultrastark gekoppelten Systeme beschäftigt. Zu Beispiel werden die bereits erwähnten superleitenden Schaltkreise als eine der vielversprechendsten Technologien für den Bau von Quantencomputern gesehen. Für diese Anwendung zeigen unsere Rechnungen, dass man mit Hilfe von ultrastark gekoppelten Quanten Bits ("Qubits"), die Geschwindigkeit von Gatteroperationen in einem Quantenprozessor um den Faktor 100-1000 erhöhen kann. Darüber hinaus können die theoretischen Modelle, die wir in Rahmen dieses Projekts entwickelt haben, auch für die Beschreibung von ultrastarken Kopplungseffekten in chemischen Reaktionen verwendet werden, die erst kürzlich experimentell nachgewiesen wurden, aber theoretisch noch nicht verstanden sind.