Quantensimulation der Dynamik der Eichtheorie fern vom Gleichgewicht

• Antragsteller: Dr. Jad Halimeh
• Fachliche Zuordnung: Kern- und Elementarteilchenphysik, Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Felder ; Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 519873523

Das Hauptthema meiner aktuellen Arbeit konzentriert sich auf die Dynamik im Nichtgleichgewicht und die Quantensimulation von Eichtheorien. Diese sind grundlegende Quantenvielteilchenmodelle mit lokalen Eichsymmetrien, welche die Naturgesetze durch lokale Beschränkungen zwischen Materie und Austauschteilchen kodieren. Die Implementierung groß angelegter Quantensimulatoren von Eichtheorien und deren Stabilisierung sowie Kontrolle ihrer Dynamik im Nichtgleichwicht ist eine anspruchsvolle Herausforderung deren Bewältigung ermöglichen wird, einige der grundlegendsten Fragen der Natur auf zugänglichen Tisch-Quantengeräten zu untersuchen. Insbesondere interessiere ich mich für zwei Fronten: (i) das Verständnis und die technologische Nutzung der Dynamik dieser Modelle im Nichtgleichgewicht, die sowohl für die Hochenergie- als auch für die Physik der kondensierten Materie relevant ist, und (ii) die Entwicklung kontrollierter und zuverlässiger Quantensimulatoren durch die Anwendung theoretischer Konzepte. Obwohl an diesen beiden Fronten bereits beeindruckende Fortschritte erzielt wurden, gibt es noch große, offene Fragen. An erster Stelle sind dies unter anderem die Thermalisierung bzw. die Abwesenheit von Thermalisierung in Eichtheorien, der Confinement-Definement-Übergang, das Zerfallen elektrischer Feldlinien in höheren räumlichen Dimensionen, der Ursprung "unordungsfreier" Lokalisierung in Eichtheorien und ihre Beziehung zur orthodoxen Vielteilchenlokalisierung, der eichtheoretische Hintergrund von Quantenvielteilchen "scarring" sowie die stufenweise Thermalisierung und ihre Verbindung zur dynamischen Renormierung des Gaußschen Gesetzes. Die Erforschung dieser Fragen ist bedeutend für das grundlegende Verständnis, wie sich Quantenvielteilchenmodelle in deren Nichtgleichgewicht sowohl im Allgemeinen als auch im Kontext von Eichtheorien verhalten. Die Erforschung kann zudem vielversprechende Anwendungen in Quanteninformationstechnologien ermöglichen. An der zweiten Front müssen trotz beachtlicher Fortschritte in der Quantensimulation von Eichtheorien dennoch neue, kreative Konzepte erarbeitet werden. Während wichtige Proof-of-Principle-Experimente die Simulation von Grundbausteinen von Eichsymmetrien demonstriert haben, müssen großmaßstäbliche Simulationen, in welchen dynamische Materie an komplexe Eichgruppen koppelt ist, implementiert werden. Die realistische Umsetzung der Quantenchromodynamik mit ihrer nicht-Abelschen SU(3) Eichsymmetrie - der heilige Gral im Feld der Eichtheorien - ist im großen Maßstab noch weit entfernt. Quantensimulatoren, die der Simulation von Eichtheorien gewidmet sind, haben das Potenzial, klassische Methoden zu übertreffen, weshalb die Weiterentwicklung dieser Technologie von großer Bedeutung ist.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen