Simulator für Dynamik von Quanten-Felder

• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung in 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 563141209

Das Gebiet der Quantensimulation hat sich in den letzten zehn Jahren etabliert, und es wurden viele experimentelle Plattformen entwickelt, die von atomaren, photonischen und elektronischen Systemen reichen. Kürzlich wurde ein neuer Weg mit ultrakalten Gasen beschritten, der die Simulation von Quantenfeldern, d.h. von kontinuierlichen Raumzeiten und Observablen, ermöglichen. Das Regime von Quantenfeldern ist charakteristisch für die fundamentalen Beschreibungen in der Hochenergiephysik, kosmologischen Szenarien und fundamentalen Fragen, die sich in Quantenfeldtheorien ergeben. In den letzten Jahren wurden bedeutende Fortschritte erzielt, darunter die Quantensimulation der Thermalisierungsdynamik in Eichtheorien sowie die Kondensation und Thermalisierung bestimmter komplexer Quantensysteme, die mit klassischen Ansätzen nur schwer zu modellieren sind. Darüber hinaus haben Simulationen mit relativistischen Skalarfeldern in einstellbaren Raumzeitmetriken die Untersuchung der Teilchenproduktion in zeitabhängigen Geometrien ermöglicht. Für diese Entwicklungen werden in erster Linie analoge Quantensimulatoren verwendet, die auf ultrakalten Quantengasen basieren. Diese Simulatoren sind zwar nicht vollständig programmierbar und erfordern häufig unterschiedliche Versuchsaufbauten und mathematische Abbildungen, die auf spezifische physikalische Fragen zugeschnitten sind, doch sind sie hochgradig skalierbar und ermöglichen die Erforschung der Dynamik von Vielteilchen-Quantenfeldern. Das Instrument – Quantum-Field-Simulator - wird die robuste Erzeugung von entarteten ultrakalten Gasen aus Spin-1- und Spin-2-Rubidium in ein-, zwei- und dreidimensionalen Umgebungen ermöglichen, mit zusätzlicher maximaler Kontrolle der Anfangsbedingungen sowohl in den räumlichen als auch in den Spin-Freiheitsgraden. Die dynamische Kontrolle der Dichte und der Spin-Kopplungen während der Dynamik wird es ermöglichen, grundlegende Fragen im Zusammenhang mit der Verallgemeinerung der allgemeinen Relativitätstheorie zu untersuchen, sowie die Untersuchung der universellen Dynamik beim Übergang von ein- zu dreidimensionalen Situationen. Darüber hinaus wird die erwartete Präzision der Präparation und der Detektion den Nachweis von Quantenkorrelationen ermöglichen und damit echte Quantenantworten des Quantum-Field-Simulators geben, wie z. B. das Entropiegesetz in der frühen Dynamik nach einem Quench, die Art der nichtlokalen Verschränkung in Feldern, die in expandierenden Raumzeiten entstehen, und die Robustheit von Quantenkorrelationen in der universellen Zeitentwicklung.

• DFG-Verfahren: Forschungsgroßgeräte
• Großgeräte: Simulator für Dynamik von Quanten-Felder
• Gerätegruppe: 6860 Mikrowellen-Bauelemente
• Antragstellende Institution: Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg
• Leiter: Professor Dr. Markus Kurt Oberthaler