NAQUAS

Jüngste Fortschritte in verschiedenen Bereichen der Physik zeigen, dass Quanteneffekte in maßgeschneiderten Systemen und Materialien kontrolliert werden können. Dies ebnet den Weg für eine vielversprechende Zukunft für Quantentechnologien. Die Entwicklung von Quantengeräten erfordert jedoch das Verständnis grundlegender Mechanismen, das in diesem Projekt erweitert wird. Einige Verfahren zur Realisation von Quanten-Rechnern basieren auf langsamer (adiabatischer) Variation von externen Kräften, die ein Quanten-Vielteilchensystem von einem Zustand (z.B. einem Paramagnet) zu einem anderen Zustand mit anderen Eigenschaften (z.B. einem Ferromagnet) bringt. Das geschieht oft in Form eines Phasenübergangs, d.h. durch eine dramatische Änderung einiger physikalischer Eigenschaften des Systems. In diesem Fall führt eine langsame Variation der Kräfte unvermeidlich zu der Erzeugung von Defekten, d.h. zu Abweichungen von der Ziel-Dynamik und dem Ziel-Zustand. Dies stellt eine Fehlerquelle z.B. für sogenannte adiabatische Quanten-Rechner dar. Die Reaktion eines Systems, wenn es durch einen Phasenübergang hindurch bewegt wird, ist weiterhin relevant für die Entwicklung atomarer Quantensensoren, die Anwendungen bei der Detektion extrem schwacher Signale finden können. Solche Phasenübergänge werden in diesem Projekt untersucht.

Auch verschiedene Phänomene im Alltag, einschließlich solcher, die biologische Systeme und Finanzmärkte beeinflussen, sind von Nicht-Gleichgewichts-Dynamik gekennzeichnet. Ihr systematisches Verständnis ist jedoch nach wie vor eine offene Herausforderung, die die Entwicklung adäquater physikalischer Werkzeuge erfordert. Das wird besonders relevant bei der Präparation eines Quantensystems in einem gut kontrollierten Ausgangszustand und bei der Kontrolle seiner Zeitentwicklung zu einem „interessanten“ Zielzustand, der oft durch einen Phasenübergang von dem Ausgangszustand getrennt ist. Ein Zusammenhang zwischen den thermodynamischen und den dynamischen Eigenschaften von Systemen an einem Phasenübergang wurde vermutet (Kibble-Zurek-Hypothese) und in unterschiedlichen Systemen bestätigt.

Das Ziel des Projektes NAQUAS ist die systematische Charakterisierung der Nicht-Gleichgewichts-Dynamik von Quantensystemen ultrakalter Atome in der Nähe kritischer Punkte. Dazu werden Simulationen von Quantensystemen vorgenommen, welche über die etablierten Paradigmen der adiabatischen Dynamik hinausgehen. Es werden innovative theoretische Ideen der Physik kondensierter Materie, der Quantenoptik, der statistischen Physik und der Quanteninformation mit fortgeschrittenen Experimenten mit ultrakalten atomaren Quantengasen kombiniert. Gerade Quantengase sind eine einzigartige Plattform, um Modellsysteme mit der erforderlichen Flexibilität und Kontrolle zu realisieren. Die Ergebnisse dieses Projekts können somit einen Grundstein für die Entwicklung der nächsten Generation von Quantengeräten bilden.