Experimentelle Quantensimulationen in Arrays von Ionenfallen

• Antragsteller: Professor Dr. Tobias Schätz
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 237456450

Numerische Simulationen können nicht die Dynamik einiger 10 wechselwirkender Quantenteilchen verfolgen, selbst wenn sie auf Hochleistungsrechnern durchgeführt werden. Quantenmechanische Effekte wie Superposition oder Verschränkung von Zuständen lassen sich nicht effizient in die Sprache herkömmlicher Computer übersetzen. Wir wollen daher, dem Vorschlag Richard Feynmans von 1982 folgend, die Dynamik der Quantensysteme in einem anderen Quantensystem simulieren. Es soll uns erlauben alle signifikanten Parameter und Wechselwirkungen ausreichend gut zu kontrollieren und die relevanten Observablen zu detektieren. Im Jahr 2007 konnten wir in einer Machbarkeitsstudie zeigen, dass die Klasse der Quanten-Spin-Systeme mit gefangenen Ionen experimentell simulierbar ist. Hierfür hatten wir den Übergang eines Quanten-Magneten von der paramagnetischen in die ferromagnetische Ordnung demonstriert. Tatsächlich sind aber eindimensionale Systeme in der Regel durch numerische Näherungen ausreichend gut beschreibbar. Mehr-dimensionale Systeme entziehen sich jedoch dieser klassischen Methodik und versprechen ein höchst interessantes Einsatzgebiet für Quantensimulatoren zu sein, für die wir bereits eine neue Klasse von Problemen theoretisch erschließen konnten.Im Jahr 2015 konnten wir zeigen, dass wir nun mit Hilfe von nano- bzw. micro- Fabrikationstechnologie in der Lage sind, ein zwei-dimensionales Array von individuell gespeicherten und kontrollierten Ionen auf zu spannen. Zwar handelt es sich bisher lediglich um drei Ionen in einer Dreiecksanordnung, jedoch erfüllen diese bereits alle erforderlichen Spezifikationen für den Einsatz als zwei-dimensionaler Quanten Simulator; die individuelle Kontrolle der elektronischen und Bewegungsfreiheitsgrade auf dem Niveau einzelner Quanten, bei ausreichender starker Kopplung in einer weiter skalierbaren Ionenfallen-Architektur.In dem beantragten Projekt wollen wir unsere Expertise aus Quanten Theorie und Experiment kombinieren und paradigmatische Quantensimulationen durchführen, die uns erlauben, unseren Ansatz mit bekannter Methodik wesentlich zu verbessern und weiter aus zu bauen. Die Resultate sollten uns den Weg weisen, skalierbare Ansätze in idealisierten und offenen Systemen zu verfolgen und weiter zu erforschen, zu welchen weiteren Fragestellungen ein Quantensimulator effizient beitragen kann. Bereits eine vergleichbar überschaubare Anzahl von Simulator-Ionen (mehrere zehn, berücksichtigt man zusätzlich deren quantisierte Bewegung) sollte es erlauben, interessante Fragestellungen zu adressieren, die jedweden zukünftigen klassischen Computer überfordern und einen tieferen Einblick in deren komplexe Quantendynamik gestatten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen