Untersuchung super‑ballistischer Informationsausbreitung in langreichweitigen Quantenspinsystemen

• Antragsteller: Professor Marius Lemm, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen ; Mathematik ; Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 465199066

Ein zentrales Problem der Nichtgleichgewichts-Quantenphysik besteht darin, die Geschwindigkeit der Informationsausbreitung in wechselwirkenden Vielteilchensystemen zu verstehen. Die Lieb-Robinson-Schranke begrenzt diese Geschwindigkeit für kurzreichweitige Wechselwirkungen und hat zahlreiche einflussreiche Anwendungen in der Festkörperphysik und der Quanteninformationswissenschaft gefunden. In den vergangenen zehn Jahren wurden die zugrunde liegenden mathematischen Methoden auf Quantensysteme mit langreichweitigen Wechselwirkungen erweitert. Jüngste Ergebnisse zeigen, dass die Informationsausbreitung kontrolliert bleibt, wenn der Exponent des Potenzgesetzes der Wechselwirkung kleiner ist als das Doppelte der Raumdimension plus eins. Unterhalb dieser Schwelle erlauben die Schranken super-ballistische Ausbreitung. Besonders relevant ist, dass viele in experimentellen Plattformen vorkommende langreichweitige Wechselwirkungen (z. B. in Rydberg-Pinzetten-Arrays) längerreichweitig sind als diese Schwelle. Die bestehenden theoretischen Schranken lassen somit prinzipiell super-ballistische Informationsausbreitung zu, etwa bei Dipolwechselwirkungen in 2D und van-der-Waals-Wechselwirkungen in 3D. Die physikalischen Implikationen von super-ballistischer Informationsausbreitung sind vielfältig: Einerseits erschwert super-ballistischer Transport die Kontrolle der Dynamik, andererseits ermöglicht er extrem schnelle Zustands- und Verschränkungsübertragung, die informationstheoretische Protokolle erheblich beschleunigen könnte. Ziel des Projekts ist es, systematisch zu untersuchen, in welchem Maße super-ballistische Informationsausbreitung tatsächlich für die in Rydberg-Systemen relevanten Wechselwirkungen realisiert werden kann. Hierfür verfolgen wir einen neuartigen holistischen Ansatz, der von der mathematischen bis zur experimentellen Physik reicht. Ein Schwerpunkt liegt auf der Herleitung verfeinerter Lieb-Robinson-Schranken, welche die Schwelle für ballistische Informationsausbreitung verbessern. Hierzu sollen bislang ungenutzte strukturelle Eigenschaften der Hamiltonoperatoren (z.B. zeitunabhängige Wechselwirkungen oder Unordnung) einbezogen werden. Dabei wird auf die mathematische Expertise der beiden PIs in der analytischen Methodik zu Lieb-Robinson Schranken in langreichweitigen Systemen zurückgegriffen. Ein weiterer Schwerpunkt ist die Entwicklung eines experimentellen Szenarios, das die erstmalige Beobachtung super-ballistischer Ausbreitung in einem zweidimensionalen Quantensystem ermöglicht. Hierfür erfolgt eine enge Zusammenarbeit mit der Gruppe von C. Gross, die an der Realisierung des 2D-XY-Modells mit einem Rydberg-Pinzetten-Array arbeitet. Das Projekt nutzt somit die gesamte Bandbreite des Tübinger Quantenphysik-Ökosystems, um ein fundamentales und dringliches Problem der Nichtgleichgewichts-Quantenphysik zu adressieren: die Untersuchung super-ballistischer Informationsausbreitung in langreichweitig wechselwirkenden Quantenspinsystemen.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 5413: Quantenspinsysteme mit langreichweitigen Wechselwirkungen: Experiment, Theorie und Mathematik
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Stefan Teufel