Quantensimulation von Spinmodellen mit steuerbaren Atomketten

• Antragsteller: Dr. Ahmed Omran
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 328801971

Dieses Projekt strebt die Realisierung eines Simulators für Quantenspinmodelle mit kalten Atomen an. Das Protokoll umfasst die Laserkühlung von Rubidiumatomen und das parallele Laden vieler optischer Mikrofallen mit einzelnen Atomen. Fluoreszenzabbildung der Atome ermöglicht die Detektion unbesetzter Fallen und das Entfernen von Defekten durch Abschalten dieser Fallen. Die besetzten Fallen werden dann umsortiert um eine regelmäßige Anordnung von Atomen ohne Defekte zu erhalten. Dieses Protokoll ergibt eine hohe Reproduzierbarkeit der Experimente und kann mit einer hohen Wiederholrate bis zu 10 Durchläufen pro Sekunde durchgeführt werden.Die lokalisierten Atome in den Fallen dienen als einzelne Spins. Der Spinfreiheitsgrad ist im internen Energiezustand des Außenelektrons jedes Atoms codiert, z.B. der Hyperfeinzustand des Elektrons.Quantenspinmodelle beruhen auf die Wechselwirkung zwischen unterschiedlichen Spins. Da es keine langreichweitige Wechselwirkung gibt zwischen entfernten Rubidiumatomen im Grundzustand, müssen diese Wechselwirkungen eingeführt werden durch Anregung des Außenelektrons zu hochangeregten Rydbergzuständen. Dies ermöglicht starke van-der-Waals Wechselwirkungen über Abständen von vielen Mikrometern. Rydberganregungen in Vielteilchensystemen erlauben die Beobachtung von kollektiver Dynamik, Verschränkung und die Realisierung von Quanteninformationsprotokollen, sowie die Vielteilchenwechselwirkungen zu entwickeln, die für die Simulation von Spinmodellen nötig sind.Ein weiteres langfristiges Ziel ist es, die Anordnung von Atomen mit Wellenleiterresonatoren aus photonischen Kristallen zu verknüpfen, wo die Atome stark an die Photonen der Resonatormode koppeln. Die deterministische Herstellung von atomaren Qubitanordnungen, die über Photonen miteinander gekoppelt sind erlaubt es, robuste und skalierbare Quantennetzwerke zu realisieren.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: USA
• Gastgeber: Professor Mikhail Lukin