Kollektive Quanteneffekte in nichtreziproken Systemen

Wechselwirkungen haben großen Einfluss auf das kollektive Verhalten in allen Größenordnungen, von Atomen bis zu Tieren. Die Untersuchung des Übergangs von der Ein-Körper- über die Wenig-Körper- zur Viel-Körper-Dynamik gibt Aufschluss darüber, wann Reaktionen wirklich kollektiv werden. Die Forschung zu kollektiven Effekten erklärt grundlegende Konzepte wie Selbstorganisation und Phasenübergänge und hat viele Anwendungen. So haben beispielsweise abstimmbare Wechselwirkungen in Vielteilchen- Quantensystemen zu Fortschritten in der Quantencomputing, -simulation und -metrologie geführt. In aktiven Systemen - wie chemischen, biologischen und sozial beeinflussten Systemen - werden die Wechselwirkungen grundsätzlich nicht reziprok, da die Komponenten ihre Reaktionen im Laufe der Zeit ändern und anpassen. Im Gegensatz zu diesen makroskopischen Systemen beruht das Konzept geschlossener Quantensysteme, die von der Umwelt isoliert sind, auf reziproken Interaktionen. In der Praxis kommt es in Quantensystemen immer zu einer Dekohärenz, da Informationen an die Umgebung verloren gehen. In diesen offenen Quantensystemen können von der Umgebung vermittelte Wechselwirkungen nicht- Reziprozität aufweisen, was die kollektive Dynamik drastisch verändert. In diesem Projekt werden optisch eingefangene und kontrollierte Ketten von Glasnanopartikeln, die etwa 1000-mal kleiner als ein Sandkorn sind, zur Erforschung der Auswirkungen nicht-reziproker Wechselwirkungen in offenen Quantensystemen eingesetzt. Die Bewegung dieser Nanopartikel kann nun problemlos in einem Quantenzustand vorbereitet werden, während mehrere Nanopartikel gleichzeitig eingefangen und durch Licht zur Wechselwirkung gebracht werden können. Mit unserem System wollen wir untersuchen, wie Nichtreziprozität Stress in selbstorganisierten Nanopartikelkristallen induziert. Darüber hinaus planen wir, die durch einen optischen Resonator unterstützten, nicht-reziproken Wechselwirkungen unterstützen, um verschränkte und geschützte Bewegungszustände mehrerer Nanopartikel zu erzeugen. Diese Experimente werden es uns ermöglichen, die Dekohärenzmechanismen in makroskopischen Festkörperobjekten zu untersuchen. Zudem wird die kollektive Verstärkung als Reaktion auf externe Störungen voraussichtlich zu einer präziseren Messung von Kräften und Impulsstößen führen.