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TRR 183:  Verschränkte Materiezustände

Fachliche Zuordnung Physik
Förderung Förderung seit 2016
Projektkennung Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 277101999
 
Die Mission unseres Sonderforschungsbereichs ist es, die fundamentalen Gesetze der Quantenmechanik zu nutzen, um Festkörpersysteme zu entwickeln, die Verschränkung in greifbarer Form materialisieren. Ein zentrales Merkmal verschränkter Materiezustände ist, dass sich die große Zahl ihrer atomaren Bestandteile gegenseitig vor den widrigen Auswirkungen der Dekohärenz schützen können. Die Entstehung von Verschränkung auf solch makroskopischen Skalen hängt vom Zusammenspiel dreier Konzepte ab, die gleichzeitig die Forschung unseres SFBs definieren: (i) Topologische Quantenmaterie. Verschränkte Zustände großer Quantensysteme verdanken ihre Existenz Schutzmechanismen topologischen Ursprungs. Eine Quantenwellenfunktion, die durch einen nicht-trivialen topologischen Index gekennzeichnet ist - sozusagen eine "geknotete" Wellenfunktion - zeigt ein hohes Maß an Robustheit gegenüber den widrigen Mechanismen der Dekohärenz. Die daraus resultierenden stabilen topologischen Anregungen sind mikroskopische Bausteine, die für die Konstruktion von verschränkten Materiezuständen zentral sind. (ii) Quanteninformation. Die Realisierung verschränkter makroskopischer Quantenzustände in Festkörperbauelementen hat zu einem praxis-bezogenen Umdenken in der Quanteninformationstheorie geführt. Theoretische Konzepte der Quanteninformation werden praktisch angewandt, etwa wenn Tensornetzwerke als Designprinzipien für synthetische Quantenarchitekturen genutzt werden. Umgekehrt wird die experimentelle Unvermeidbarkeit rausch-induzierter Quellen von Dekohärenz neu betrachtet, indem untersucht wird, wie Störeffekte selbst zur Stabilisierung von Quanteninformationen genutzt werden können. (iii) Quanten-Bauelemente. Das Zusammenspiel der physikalischen Realisierungen von Topologie und Quanteninformation lässt sich nutzen, um neuartige Architekturen für Quanten-Bauelemente zu ermöglichen. Theoretische Untersuchungen hierzu befassen sich mit der Physik fraktionalisierter Anregungen und deren Umsetzung in korrelierten Materialien oder mesoskopischen Systemen, die halbleitende, metallische und supraleitende Hybridelemente umfassen. Diese Systeme dienen als Plattformen für den Entwurf von Architekturen für "topologisches Quantenrechnen". Aufbauend auf der Synergie dieser drei Bereiche ist die langfristige Vision unseres SFBs, die faszinierende Physik der Verschränkung näher an den makroskopischen Bereich heranzuführen. Konkrete Ziele für die 2. Förderperiode sind ein erweiterter Austausch mit experimentellen Gruppen, die sich mit grundlegenden Fragen zur Entstehung makroskopischer Verschränkung in topologischen Materialien, synthetischen Quanten-Bauelementen und neuen Plattformen wie „twisted bilayer graphene“ befassen. Wir werden Quantenkontrollschemata für Netzwerkarchitekturen entwerfen, die aus rauschbehafteten Quantenbits aufgebaut sind, und Protokolle entwickeln, um topologische Anregungen aktiv zu manipulieren, und damit die Grundbausteine der Quanteninformationsverarbeitung legen.
DFG-Verfahren Transregios
Internationaler Bezug Dänemark, Israel

Laufende Projekte

Abgeschlossene Projekte

Antragstellende Institution Universität zu Köln
Sprecher Professor Dr. Alexander Altland, bis 3/2018; Professor Dr. Simon Trebst, seit 12/2019
 
 

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