Hochauflösende Quantengas-Mikroskopie von ultrakalten 23Na40K Molekülen in optischen Gittern

• Antragsteller: Dr. Carsten Robens
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 421987027

Über Jahrzehnte hat die Möglichkeit, dass Quantencomputer Probleme lösen können, welche für klassische Computer unerreichbar sind, Forscher inspiriert und motiviert unsere Kontrolle über die Quantenwelt stetig zu erweitern. Um dieses Ziel Realität werden zu lassen, benötigt es letztlich die simultane Kontrolle über jeden einzelnen Quantenzustand von einer Vielzahl von Teilchen. Innerhalb der letzten Jahre gab es bereits bemerkenswerte konzeptionelle und technologische Fortschritte auf einer Reihe von verschiedenen Quanten-Plattformen, zu denen einzelne Photonen, gefangene Ionen, ultrakalte Atome, supraleitende Qubits und seit neustem Majorana Fermionen gehören. Allerdings ist es bisher keiner dieser Plattformen gelungen, experimentell eine eindeutige Überlegenheit der Quantenhardware gegenüber der etablierten klassischen Hardware zu beweisen. In diesem Antrag stellen wir eine neue Multifunktions-Quantenhardware vor, welche auf ultrakalten, dipolaren 23Na40K Molekülen in optischen Gittern basiert. Diese ultrakalten, dipolaren Moleküle stellen eine völlig neuartige Multifunktions-Quantenhardware dar, welche die Techniken und Skalierbarkeit von ultrakalten Atomen mit der langreichweitigen Dipol-Dipol Wechselwirkung von Molekülen vereinigt. Um diese Wechselwirkung auf dem Niveau von einzelnen Molekülen zu studieren und zu kontrollieren, beabsichtigen wir ein sogenanntes Quantengas-Mikroskop für ultrakalte Moleküle zu bauen, welches bisweilen eine unüberwindbare Herausforderung darstellt. Eine der Schwierigkeiten liegt darin, genügend entartete Moleküle zu erzeugen. Dies ist durch die geringe Effizienz limitiert, aus zwei ungebundenen ultrakalten Atomen ein Feshbach Molekül zu erzeugen. Um diesen Engpass zu umgehen, schlagen wir eine neue Möglichkeit vor, ultrakalte Moleküle aus sogenannten Bose Polaronen mittels einer stimulierten Raman adiabatischen Passage (STIRAP) zu erzeugen. Die Methode könnte es uns ermöglichen, ein entartetes Quantengas aus einzelnen Atomen direkt in ein entartetes Quantengas aus Molekülen zu konvertieren. Nach der Erzeugung der Moleküle werden wir diese in eine einzelne Ebene eines drei-dimensionalen optischen Gitters laden, in welchem wir jedes einzelne Molekül mit Hilfe eines hochauflösenden Mikroskops abbilden und manipulieren können. Ein solches Quantengas-Mikroskop mit ultrakalten Molekülen würde erstmalig ermöglichen Vielteilchenphysik mit langreichweitiger Wechselwirkung zu studieren. Wir beabsichtigen diese langreichweitige Wechselwirkung anhand eines Zwei-Molekül-Quantengatters zu demonstrieren, in dem wir mit fokussierten Laserstrahlen einzeln die Dipole der Moleküle kontrollieren. Eine solche Kontrolle über die Quantenzustände von ultrakalten, dipolaren Molekülen in einem optischen Gitter stellt den Inbegriff einer Multifunktions-Quantenhardware dar, welche ideal für einen Quantencomputer, Quantensimulationen und Präzisionsexperimente geeignet ist.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: USA
• Gastgeber: Professor Dr. Martin Zwierlein