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

Fachliche Zuordnung Theoretische Physik der kondensierten Materie
Förderung Förderung von 2020 bis 2025
Projektkennung Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 440745404
 
Erstellungsjahr 2025

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Schwache Messungen sind eine Alternative zum Dogma des von Neumann’schen "Kollaps" einer Wellenfunktion: Sie vermeiden die Notwendigkeit einer vollständigen Zerstörung der Wellenfunktion und sind gleichzeitig in der Lage, Teilinformationen aus dem gemessenen System zu extrahieren. Dabei ist die Messung mit einer Rückwirkung des Detektors auf den Systemzustand verbunden. Die Kernidee unseres Projektes bestand darin, die nahezu zerstörungsfreie Natur schwacher Messungen auszunutzen und gleichzeitig ihre Rückwirkung für die Konstruktion nicht-trivialer hochverschränkter Quantenzustände nutzbar zu machen – ein paradigmatischer Sprung in der Vielteilchen-Quantenphysik. Dieser Fortschritt wurde in unserem Projekt mit insgesamt 45 Publikationen während des Förderzeitraums durch drei Schlüsselschritte erreicht, die in entsprechenden Arbeitspaketen organisiert waren: (i) schwache messinduzierte Erzeugung von Zuständen, (ii) schwache messinduzierte Zustandsstabilisierung und (iii) schwache messinduzierte Zustandsmanipulation. In bestimmten Grenzen führen schwache Messprotokolle zu einer Dynamik, die eng mit der von offenen dissipativen Systemen verwandt ist, bei denen es auch möglich ist, eine Zustandserzeugung, -stabilisierung und -manipulation zu erreichen, indem das Quantensystem von Interesse einer Kombination aus zeitabhängigen Antriebskräften und Dissipation in Gegenwart einer externen Umgebung ausgesetzt wird. Während “Drive-and-Dissipation”-Protokolle bereits zuvor ausgiebig untersucht und zur Erzeugung exotischer Zustände eingesetzt wurden, betraf das neue Element in unserem Vorschlag die Entstehung von dunklen Räumen, die das Vorhandensein entarteter geschützer Zustände markieren. Die Entwicklung eines dunklen Raums öffnet die Tür zur robusten Quantenzustandsmanipulation, eine Herausforderung, die in unserem Projekt für Systeme mit topologischen Nullmoden angegangen wurde. Ausgehend von Systemen, die aus wenigen effektiven Quasiteilchen bestehen, haben wir stark korrelierte (möglicherweise topologische) Vielteilchenzustände ins Visier genommen. Wir entwarfen “on-demand” Zustände mit wenigen Quasiteilchen, Protokolle zu deren Manipulation – was z.B. zu geometrischen Phasen und “braiding” Protokollen führt –, und (schwache Mess- oder getrieben-dissipativen) Protokolle, um Quantenkorrelationen in solchen Zuständen zu manipulieren. Wir haben uns dabei auf die Rückwirkungs-dynamik konzentriert, um eine Vielzahl von korrelierten Vielteilchenzuständen zu konstruieren, die bekannte nichttriviale Grundzustände, angeregte Zustände sowie neuartige Nichtgleichgewichtszustände umfassen. Wir haben eine Vielzahl von Protokollen zur Zustandsgenerierung, zur Stabilisierung der konstruierten Zustände, und zu ihrer Manipulation vorgeschlagen. Wir erwarten Auswirkungen unserer Ergebnisse auf das breite Gebiet der Quanteninformationsverarbeitung durch unsere neuartigen Qubit-Manipulationstechniken.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

 
 

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