Quantenoptische Implementierungen von eichinvarianter Dynamik

Die Entwicklung von kontrollierten Quantensystemen, die als kleine Quanten Computer verwendet werden können schreitet mit großer Geschwindigkeit voran. Der Start des Europäischen Flaggschiff Programms zur Förderung von Quantentechnologien im Jahr 2018 wird dieser Entwicklung einen zusätzlichen Schub verleihen. Im Licht dieser Entwicklung ist die Suche nach Anwendungen, die schon mit kleinen bis mittleren Systemgrößen praktikabel sind von zentralem Interesse. Das Elise Richter Projekt erforscht die Verwendung von kleinen Quanten Computern für die Simulation von sogenannten Eichfeld Theorien. Eichfeld Theorien spielen in vielen Bereichen der Physik eine große Rolle und sind die Basis von unserem Verständnis der fundamentalen Wechselwirkung zwischen Elementarteilchen. Ein bekanntes Beispiel ist die Quantenchromodynamik, die die Wechselwirkungen zwischen Quarks und Gluonen beschreibt. Die Behandlung von dynamischen Prozessen innerhalb dieser Theorien, wie zum Beispiel die Kollision von Teilchen oder die Entstehung von Teilchen-Antiteilchen Paaren durch Quantenfluktuationen, ist ein äußerst schwieriges Problem. Numerische Methoden stoßen hier schnell an ihre Grenzen. Diese Schwierigkeit inspirierte die Idee Quanten Simulatoren auf diese Art von Problemen anzusetzen und so die existierenden numerischen Methoden zu ergänzen. Das START Projekt wird es ermöglichen Quanten Simulationen von Eichfeld Theorien aus dem Bereich der Ideen und Konzepte auf die Stufe von proof-of-principle Demonstrationen im Labor zu bringen. Das Schlüssel Element um diesen kritischen Schritt zu ermöglichen ist das hardware-adaptierte Design solcher Simulations Konzepte, die genau auf die jeweils Plattform zugeschnitten sind. Spezielle von der Antragstellerin entwickelte quantenoptische Methoden ermöglichen so ein Ressourcen-effizientes Design das an die verfügbaren Quanten Technologien angepasst ist. In einer Zusammenarbeit mit einer experimentellen Ionen Gruppe in Innsbruck konnte kürzlich ein hardware-adaptiertes Design der Antragstellerin verwirklicht werden, das so die erste experimentelle Demonstration in diesem Forschungsfeld ermöglichte [Nature 534, 516- 519 (2016)]. Hier wurde die Wechselwirkung von Elektronen und Positronen in einer Dimension simuliert. Diese Arbeit repräsentiert zwar einen ersten Schritt in ein neues Gebiet, lässt aber die großen Herausforderungen in diesem Feld vollkommen offen. Diese offenen Herausforderungen beinhalten die Quantensimulation von Theorien mit Farb-Freiheitsgraden (wie sie in der Quantenchromodynamik vorkommen) und Simulationen in mehr als einer räumlichen Dimension. Das Elise Richter Projekt wird genau diese beiden großen Forschungsfragen bearbeiten und so qualitativ neue Bereiche in diesem Gebiet erschließen. Außerdem wird die passende Simulations-Software entwickelt um gezielt interessante dynamische Effekte untersuchen zu können. Die beiden quantenoptischen Plattformen die zu diesem Zweck im Zentrum des Elise Richter Projekts stehen, sind elektromagnetisch gefangene Ionen und klare Atome in optischen Gittern.