Quantentechnologie-Bausteine
Die Beschreibung und Kontrolle vielfältiger quantenmechanischer Systeme bilden eine unverzichtbare Grundlage für zukünftige quantentechnologische Anwendungen.
Dabei interessieren wir uns für die mikroskopische Beschreibung verschiedenartiger Quantensysteme, die aus wenigen Teilchen bestehen (few-body problems). Ein detailliertes Verständnis der Interaktionen dieser Komponenten untereinander und mit externen Feldern eröffnet Möglichkeiten für präzise Zustandsmanipulationen und die Entwicklung von Quantensensoren.
Eine Gruppe leicht kontrollierbarer Quantensysteme beinhaltet Atome, Moleküle und Ionen. Kühlt man diese bis nahe an den absoluten Nullpunkt, werden thermische Schwankungen unterdrückt und Quanteneffekte treten in den Vordergrund.
Weiter bieten sich hybride Systeme aus ultrakalten Atomen und Ionen für experimentelle Anwendungen an. So können etwa einzelne Ionen, die in ein entartetes Quantengas getaucht werden, für die Untersuchung der Polaron-Physik im stark gekoppelten Regime benutzt werden. Wir erforschen Kontrollmöglichkeiten solcher Systeme unter realistischen
Bedingungen und entwerfen Vorschläge, wie diese in der Quantentechnologie eingesetzt werden können.
Ein weiteres Beispiel für sehr gut kontrollierbare Quantensysteme stellen Stickstoff-Fehlstellen in Diamanten (NV-Zentren) dar. Sie entstehen durch die Implantation von Stickstoffatomen in die Kristallstruktur von Diamanten, wodurch eine Fehlstelle mit freien Elektronen und umgebenden Kernspins entsteht. Dieses System kann mittels Lasern und Radio- bzw. Mikrowellenfeldern beeinflusst werden. Einwirkende Kontrollpulse ermöglichen die Einstellung der Wechselwirkung mit der Umgebung. So können NV-Zentren verwendet werden, um ein Umgebungssignal zu detektieren. Dabei müssen unerwünschte Störungen unterdrückt werden. Wir nutzen Methoden der optimalen Quantenkontrolle und der dynamischen Entkopplung, um gewünschte Effekte zu erreichen. Dabei arbeiten wir mit verschiedenen Gruppen zusammen (insbesondere innerhalb des EU-Quanten-Flaggschiff-Projekts ASTERIQS), um unsere Lösungsansätze zu testen.