Strongly correlated Quantum Fields out of equilibrium

Describing interacting many body quantum systems which exhibit strong correlations is among the hardest problems in physics. This is especially true for out of equilibrium dynamics and relaxation. Such Systems appear in a very broad context ranging from cosmology through high-energy physics to condensed matter and biology. A full description very quickly goes far beyond what can be calculated on classical computers. Often, such systems and their observable physics are described by Quantum Field Theories (QuFTs). Building model systems in the laboratory will allow to quantum simulate th ese systems and their physics and test theoretical models and their approximations. In the project SCQS-oE we will build a quantum simulator for strongly correlated quantum systems and experimentally study their equilibrium properties and non-equilibrium evolution and relaxation over a wide range of parameters and physical settings. The starting point of our investigations is a quantum simulation of the Sine -Gordon model via two tunnel-coupled 1D superfluids. In the experiments we can tune the physics form simple gaussian to very strongly correlated. We will focus on 4 main objective s: (i) Relaxation after a quench (rapid change of parameters). (ii)Dynamical driving to: (a) prepare the SG QuFT close to its quantum vacuum state and (b) build a model of an expanding universe. (iii) Strong excitations and particle creation: We will create starting conditions which can be outside the validity of the SG model and thereby study the range of validity of the quantum simulator. (iv) Non-equilibrium dynamics in spatially inhomogeneous systems, for example the boundary SG model. Central to all these investigations will be to verify the model and to probe its range of validity. Experiments will be conducted on an AtomChip with a one-dimensional (1D) quantum gas of Rb atoms. The 1D systems will be individually probed (1) in situ through the evolution of density and momentum (rapidity); and (2) by measuring interference and correlations, to observe how the many-body system and its macroscopic wavefunction evolves. Splitting a single 1D system into double well potentials allow us to create the two tunnel- coupled 1D superfluids which constitute the quantum simulator of the SG model, and precisely control the strength of its correlations. Moreover, matter wave interference gives us direct access to the simulated quantum field and its coherence. Extracting quantum correlations gives detailed insight into the many body phases and their field theory description.

Die Quantenwelt außer Gleichgewicht - ein neuer Quantensimulator Die Quantenphysik beschreibt Materie auf ihrer grundlegendsten Ebene - dennoch liegen einige ihrer wichtigsten Phänomene noch immer jenseits unserer Berechnungsmöglichkeiten. Wenn viele Teilchen stark miteinander wechselwirken und ein System weit aus seinem Ruhezustand gebracht wird - wie etwa im frühen Universum, in Supraleitern oder exotischen Materialien - stoßen selbst die leistungsfähigsten Computer an ihre Grenzen. Dieses Projekt baute und nutzte eine neue Art von Quantensimulator: ein präzise kontrolliertes System aus ultrakalten Atomen, abgekühlt auf Temperaturen hundert Millionen Mal kälter als Raumtemperatur, das das Verhalten dieser sonst unberechenbaren Quantensysteme nachbildet. Im Mittelpunkt stehen zwei fadenartige Wolken aus einigen tausend Rubidium-Atomen, die nebeneinander auf einem winzigen Chip gefangen gehalten werden und schwach Atome austauschen können. Wenn wir beobachten, wie die beiden Wolken miteinander interferieren - ähnlich wie Wellen auf einem Teich - können wir den Quantenzustand mit außerordentlicher Präzision auslesen. Die entstehende Physik wird durch das sogenannte Sine-Gordon-Modell beschrieben, eine Quantenfeldtheorie, die in vielen Bereichen der Physik auftaucht: bei magnetischen Materialien, in Modellen des frühen Universums und in der Teilchenphysik. Unser Simulator ermöglicht direkten experimentellen Zugang zu dieser Theorie in einem Bereich, in dem Berechnungen praktisch unmöglich sind. Im Laufe des Projekts erzielten wir mehrere bedeutende Fortschritte. Wir zeigten, dass unser System Energie und Teilchen nahezu verlustfrei transportiert - sogenannten ballistischen Transport - und maßen diesen zum ersten Mal quantitativ in einem solchen System; die Ergebnisse erschienen in der Zeitschrift Science. Wir entwickelten Werkzeuge, um schallwellenartige Schwingungen im Quantengas anzuregen und zu beobachten, und fanden, dass diese auf eine Weise gedämpft werden, die zwar vor Jahrzehnten theoretisch vorhergesagt, aber noch nie experimentell bestätigt worden war. Außerdem entwickelten wir präzise Kontrollmethoden, um das Quantengas in maßgeschneiderte Ausgangszustände zu versetzen - eine wichtige Voraussetzung für künftige Experimente. Wir setzten zudem maschinelles Lernen ein, um unsere Messdaten zu analysieren: Ein Algorithmus lernte selbstständig, die wesentlichen Merkmale des Quantenzustands zu erkennen, ohne vorab zu wissen, wonach er suchen sollte - und entdeckte dabei Quantenstrukturen, sogenannte Solitonen, die konventionelle Methoden übersehen hatten. Gemeinsam mit Theoriegruppen zeigten wir schließlich, dass ein grundlegendes Prinzip der Quanteninformation - das Flächengesetz der Verschränkung - auch in unserem stark wechselwirkenden Simulator gilt. Die zwischen verschiedenen Teilen des Systems geteilte Quanteninformation wächst dabei weit langsamer als erwartet, mit weitreichenden Folgen für das Verständnis komplexer Quantensysteme. Diese Ergebnisse etablieren unsere Plattform als leistungsstarken Quantensimulator für stark korrelierte Physik und eröffnen neue Wege zur Untersuchung von Phänomenen, die für klassische Computer unerreichbar sind.