Quantenzustands-Erzeugung und -Manipulation in offenen Systemen mit Hilfe von Dissipation und Messungen

• Antragsteller: Professor Dr. Reinhold Egger; Privatdozent Dr. Igor Gornyi
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 440745404

Schwache Messungen (SM) sind eine Alternative zum von Neumann’schen Dogma des „Kollapses“ der quantenmechanischen Wellenfunktion. SM vermeiden die komplette Zerstörung der Wellenfunktion und können teilweise Information über das gemessene System extrahieren. Dabei geht die Messung einher mit einer Rückwirkung des Detektors auf den System-Zustand. Die zentrale Idee dieses theoretischen Antrags besteht darin, die fast nicht-invasive Natur von SM und deren Rückwirkung auf das System auszunutzen, um nichttriviale Zustände zu erzeugen. Dieser Fortschritt soll in drei Schritten erzielt werden: (i) die SM-induzierte Erzeugung von Zuständen, (ii) deren Stabilisierung, und (iii) deren Manipulation. Wir planen, diese Ideen auf topologische Systeme mit wenigen Quasiteilchen sowie auf Vielteilchenprobleme anzuwenden. In bestimmten Grenzfällen liefern SM-definierte Protokolle eine Dynamik, die der dissipativen Dynamik offener Systeme ähnelt. In diesem Zusammenhang werden wir auch untersuchen, wie die obigen Ziele durch eine Kombination von zeitabhängigen externen Kräften und Dissipation aufgrund eines Wärmebades erreicht werden können. Während solche Protokolle bisher oft für die Erzeugung exotischer Zustände verwendet wurden, soll der Fokus unseres Vorhabens auf der Entstehung eines dunklen Zustandsraumes liegen, d.h. auf einer Mannigfaltigkeit von entarteten dunklen Zuständen. Die Verfügbarkeit eines dunklen Zustandsraumes erlaubt es, robuste Quantenmanipulationen in Systemen mit topologischen Nullmoden (z.B. Majorana-Zustände oder Parafermionen) durchzuführen. Wir werden dazu mit Systemen beginnen, die nur wenige topologische Quasiteilchen enthalten, gefolgt von der Analyse stark korrelierter Vielteilchensysteme. Wir werden Protokolle für die Erzeugung und Manipulation beliebiger Zustände von wenigen Quasiteilchen entwerfen (dies resultiert, z.B., in geometrischen Phasen und Braiding-Protokollen), und dann SM-basierte wie auch getrieben-dissipative Protokolle für verschiedene korrelierten Vielteilchensysteme betrachten. Dabei untersuchen wir nichttriviale Grundzustände, angeregte Zustände, und neuartige Nichtgleichgewichts-Zustände. Der erfolgreiche Abschluss des Projektes wird zu mehreren wichtigen Fortschritten führen: (1) Es wird ein neues Konzept für Vielteilchensysteme etabliert, das mit der Erzeugung und Manipulation von Quantenzuständen einhergeht. (2) Wir werden wichtige neue Facetten von quantenmechanischen Messungen herausarbeiten. (3) Aufgrund unserer neuartigen Qubit-Manipulationstechniken ist zu erwarten, dass wichtige Entwicklungen im Bereich der Quanteninformationsverarbeitung angestoßen werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Israel
• ausländischer Mitantragsteller: Professor Dr. Yuval Gefen