TRR 183:  Verschränkte Materiezustände

• Fachliche Zuordnung: Physik
• Förderung: Förderung seit 2016
• Webseite: Zur Homepage
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 277101999

Die Mission unseres Sonderforschungsbereichs ist es, die fundamentalen Gesetze der Quanten-mechanik zu nutzen, um Verschränkung in Festkörpersystemen in greifbarer Form zu materialisieren und Protokolle zur Steuerung ihrer Dynamik zu konzipieren und zu implementieren. Die Entstehung und Manipulation von Verschränkung auf 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 widrigen Dekohärenz-Mechanismen. 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 werden nun praktisch angewandt, etwa in der Implementierung von Quantenschaltkreisen zur dynamischen Erzeugung und Manipulation von Verschränkung auf mittelgroßen, fehler-behafteten Quantenplattformen. 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 Verschränkung und Quanteninformationsprotokollen zu dessen aktiver Steuerung 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 praktisches Quantenrechnen.

• DFG-Verfahren: Transregios
• Internationaler Bezug: Dänemark, Israel

Laufende Projekte

• A01 - Topologie und Dynamik (Teilprojektleiter Berg, Erez ;  Brouwer, Piet W. ;  Rosch, Achim )
• A02 - Nichtisolierende topologische Phasen (Teilprojektleiter Beidenkopf, Haim ;  Breitkreiz, Maxim ;  Brouwer, Piet W. ;  Diehl, Sebastian ;  Egger, Reinhold ;  Reuther, Johannes ;  Yan, Binghai )
• A03 - Verschränkung und Unordnung (Teilprojektleiter Alldridge, Alexander ;  Altland, Alexander ;  Brouwer, Piet W. ;  Eisert, Jens ;  Zirnbauer, Martin R. )
• A04 - Theorie fraktionalisierter topologischer Phasen (Teilprojektleiterinnen / Teilprojektleiter Berg, Erez ;  Hermanns, Maria ;  Mross, David ;  Oreg, Yuval ;  Reuther, Johannes ;  Rizzi, Matteo ;  Ronen, Yuval ;  Stern, Adiel ;  Trebst, Simon )
• B01 - Verschränkung (Teilprojektleiter Buchhold, Ph.D., Michael ;  Eisert, Jens ;  Gross, Ph.D., David ;  Kastoryano, Michael ;  Rizzi, Matteo ;  Trebst, Simon ;  Turkeshi, Ph.D., Xhek )
• B02 - Messung und Kontrolle offener Quantensysteme (Teilprojektleiterinnen / Teilprojektleiter Diehl, Sebastian ;  Egger, Reinhold ;  Eisert, Jens ;  Gefen, Yuval ;  Kastoryano, Michael ;  Koch, Christiane ;  Pappalardi, Ph.D., Silvia ;  Rudner, Mark )
• B04 - Synthetische und holographische Quanten-Materie (Teilprojektleiterinnen / Teilprojektleiter Altland, Alexander ;  Bagrets, Dmitry ;  Callebaut, Nele ;  Egger, Reinhold ;  Eisert, Jens ;  Gefen, Yuval ;  Oreg, Yuval )
• C01 - Messung und Manipulation von Verschränkung (Teilprojektleiter Diehl, Sebastian ;  Egger, Reinhold ;  Flensberg, Karsten ;  Gefen, Yuval ;  Marcus, Charles M. )
• C02 - Konstruktion von topologischen Materie-Zuständen (Teilprojektleiter Berg, Erez ;  Ilani, Shahal ;  von Oppen, Felix ;  Oreg, Yuval )
• C03 - Hybride topologische Plattformen (Teilprojektleiterinnen / Teilprojektleiter Franke, Katharina ;  Michaeli, Karen ;  von Oppen, Felix ;  Stern, Adiel ;  Vaitiekenas, Saulius )
• C05 - Transmon und supraleitende Qubits (Teilprojektleiterinnen / Teilprojektleiter Altland, Alexander ;  Flensberg, Karsten ;  Koch, Christiane ;  Metelmann, Anja ;  Trebst, Simon )
• Z - Verwaltung (Teilprojektleiter Altland, Alexander ;  Trebst, Simon )

Abgeschlossene Projekte

• B01 - Quantenfehlkorrektur und neue Materien (Teilprojektleiter Kastoryano, Michael )

• Antragstellende Institution: Universität zu Köln
• Mitantragstellende Institution: Freie Universität Berlin; Weizmann Institute of Science
• Beteiligte Hochschule: Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf; Københavns Universitet
• Beteiligte Institution: Forschungszentrum Jülich
• Sprecher: Professor Dr. Alexander Altland, bis 3/2018; Professor Dr. Simon Trebst, seit 4/2018