Atomphysik, Quantenoptik, Miniaturisierung auf Chip

Die Entwicklung der Mikroelektronik und der Informationstechnologie in der 2. Hälfte des 20. Jahrhunderts hat gezeigt, dass die Resultate fundamentaler Wissenschaft durch Miniaturisierung und Integration zu robusten Anwendungen gebracht werden können. Der AtomChip strebt nun eben dies für Quantenoptik und Quantenphysik mit Atomen und Photonen an. Im Rahmen der Forschungsarbeiten soll nun die fundamentale Physik einer solchen Miniaturisierung und Integration erforscht werden. Auf dem AtomChip werden Atome mittels nanostrukturierten Atomfallen und Mikrooptik gefangen, Quanten manipuliert, und detektiert. Das Ziel ist eine Quantentoolbox zu entwickeln, die es erlaubt, in den verschiedensten Quantenwelten zu experimentieren und Quantenbrücken zwischen ihnen zu bilden. Anwendungen reichen von ultrapräzisen Sensoren bis zur Quanteninformationsverarbeitung.

Miniaturisierung und Integration sind wichtige Schritte in Richtung einer robusten Anwendung von Grundlagenphysik. Erfolgreiche Beispiele sind die Halbleiterphysik und ihre Anwendung in den integrierten Schaltkreisen der Informationsverarbeitung und die Entwicklung integrierter Mikrooptik und deren Anwendung in der Sensor- und Kommunikationstechnologie. Eines der zentralen Ziele dieses Wittgenstein Projekt war es die Grundlagen für eine vergleichbare Entwicklung in die Quantenphysik zu legen, und damit den Weg zu dem Aufbau einer robusten Quantentechnologie mittels Miniaturisierung und Integration zu weisen. Wir verfolgten 2 unterschiedliche Wege: (1) Integrierte Experimente mit ultra-kalten Quantengasen auf AtomChips; (2) das Quanten Interconnect (QuIC) Project, das Quantenverbindung und Hybride Quantensysteme erforscht. AtomChips bringen das Beste aus zwei Welten zusammen: Kalte Atome, ein System, das für präzise Quantenmanipulation sehr gut geeignet ist - und die technologischen Möglichkeiten der Nanofabrikation. Damit konnten wir robuste Experimente zur Untersuchungen von komplexen Quantensystemen bauen. Eine Zentrale Fragestellung war: Findet ein komplett isoliertes Vielteilchen Quantensystem zu einem Gleichgewicht, wie wir es aus der Statistischen Mechanik kennen. Wir konnten zeigen, dass Eigenschaften der klassischen Physik in solchen isolierten Quantensystemen von selbst entstehen, dass diese De-kohärenz automatisch, und lokal abläuft und sich schließlich im gesamten System in einem kausalen Lichtkegel ausbreitet. Dies zeigt eine enge Verbindung zwischen mikroskopischer Quantenphysik und makroskopischer (klassischer) Statistischer Physik. Im Quanten Interconnect Project untersuchten wir Quantenverbindungen zwischen Photonen, Spins und supraleitenden Schaltkreisen. Wir etablierten und untersuchten die Koppelung von supraleitenden Schaltkreisen zu Elektron- und Kern-Spin Ensembles die erfolgversprechende Kandidaten für einen Quanten-speicher sind. Wir bauten ein neues Experiment um ultra-kalte Atome zu supraleitenden Schaltkreisen zu koppeln. Wir entwickelten neue Protokolle zur Quanteninformationsverarbeitung mit Photonic-Modules die Photonen und NV- Zentren in Diamant koppeln. Photonische Qubits verbinden die Module, die NV- Zentren sind einfache 2-qubit Prozessoren mit einem Quantenspeicher. Wir konnten zeigen, dass dieses neue Protokoll fehlertolerante Quanteninformationsverarbeitung mit existierender Technologie ermöglicht. Im Labor machten wir die ersten Schritte zum miniaturisierten und integrierten Aufbau eines solchen Photonic-Modules auf einem Chip.