Quantenoptik und Quanteninformation

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Die Forschungsthemen der Gruppe um Peter Zoller sind in den Gebieten der theoretischen Quantenoptik und Atomphysik, der Quanteninformation und der Theorie kondensierter Materie angesiedelt. Im Vordergrund steht dabei die theoretische Beschreibung realer physikalischer Systeme in enger Zusammenarbeit mit dem Experiment, wie auch interdisziplinäre Verbindungen der genannten Gebiete. Der Schwerpunkt der Forschungsaktivitäten liegt in der gezielten Erzeugung, Simulation und Untersuchung neuer Quanten-Vielteilchensysteme, welche aus Atomen, Ionen oder Molekülen bestehen, oder Hybride aus optomechanischen und Festkörpersystemen sind. Darüber hinaus werden in der Forschungsgruppe neue Möglichkeiten und Protokolle für Anwendungen im Bereich der Quanteninformations– und Kommunikationstechnologie entwickelt.

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Quantenoptik und Vielteilchenphysik

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Die Forschungsgruppe unter der Leitung von Hannes Pichler beschäftigt sich mit quantenoptischen Systemen, Quanten-Vielteilchenphysik und Quanteninformation. Ziel der Gruppe ist es, die theoretischen Grundlagen für Experimente der nächsten Generation in der Quantenwissenschaft und -technologie zu schaffen, oft in enger Zusammenarbeit mit experimentellen Teams. Die Hauptforschungsinteressen konzentrieren sich auf die Entwicklung der theoretischen Werkzeuge, um Quanten-Vielkörpersysteme zu verstehen und zu beschreiben, Protokolle zu ihrer Manipulation und Untersuchung vorzuschlagen und Anwendungen zu entwickeln, die Quanten-Vielkörpereffekte ausnutzen.

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Quantennanophysik, Quantenoptik und Quanteninformation

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Die von Oriol Romero-Isart geführte Forschungsgruppe beschäftigt sich mit Themen der theoretischen Quantenoptik und Quantennanophysik, sowohl im Kontext von Grundlagenforschung als auch im Hinblick auf technologische Anwendungen. Einer der Forschungsschwerpunkte ist die angestrebte Beobachtung von Quantenphänomenen mit schwebenden Mikrometer-großen Teilchen. Diese Systeme verschieben die Grenze der Quantenphysik in ein noch unbekanntes Regime in dem die Gültigkeit der Quantenphysik selbst und ihre Wechselwirkung mit der Gravitation getestet werden können. Um dieses Ziel zu erreichen brauchen wir ein grundlegendes Verständnis sowohl der internen Physik der schwebenden Nanoteilchen als auch ihrer Wechselwirkung mit elektromagnetischen Feldern. Die Gruppe ist außerdem auch an Themen aus dem Bereich Nanooptik interessiert, wie beispielsweise dem gezielten Formen von elektromagnetischen Feldern in Raum und Zeit, der Licht-Materie Wechselwirkung im Nanometerbereich, sowie der Nichtgleichgewichts-Quantenelektrodynamik. Dabei schlagen sie wegweisende Experimente vor und entwickeln die zugehörige Theorie in enger Zusammenarbeit mit den experimentellen Forschungsgruppen.

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Supraleitende Quantenschaltkreise

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Die Forschungsgruppe um Gerhard Kirchmair arbeitet an supraleitenden Schaltkreisen und deren Anwendung in der Quanteninformationsverarbeitung und Quantensimulation. Die quantenmechanischen Eigenschaften dieser Schaltkreise werden mit Hilfe von supraleitenden Josephson-Kontakten realisiert. Mit lithographischen Verfahren, ähnlich jenen in der Mikrochipherstellung, lassen sich die Quanteneigenschaften so ändern und kontrollieren, dass künstliche Atome hergestellt und diese an Mikrowellenresonatoren gekoppelt werden können. Diese sogenannten „cavity quantum electrodynamic systems“ sind ideal zur Erforschung der Licht-Materie-Wechselwirkung geeignet und gelten als vielversprechende Systeme zur Realisierung eines Quantencomputers. Die Forschungsgruppe untersucht darüber hinaus die Kopplung solcher Schaltkreis an andere Quantensysteme wie z.B. Ionen, kalte Atome oder mechanische Resonatoren. Diese hybriden Systeme eröffnen neue Möglichkeiten für die Erforschung von Quanteneffekten und zur Entwicklung sehr präziser Messverfahren.

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Ultrakalte Atome und Quantengase

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Die Arbeitsgruppe unter der Leitung von Rudolf Grimm untersucht ultrakalte Teilchensysteme, bestehend aus optisch gespeicherten Quantengasen sehr nahe am absoluten Nullpunkt. Solche Systeme repräsentieren aufgrund ihrer hervorragenden experimentellen Zugänglichkeit und Kontrollierbarkeit einzigartige Modellsysteme für die Untersuchung von komplexem Quantenvielteilchenverhalten. In konventionellen Systemen schwer zugängliche Quantenphänomene und ihre Parameterabhängigkeiten lassen sich so präzise untersuchen. So gelang es der Forschungsgruppe, erstmals Efimov-Zustände zu beobachten und das Phänomen des "Zweiten Schalls" nachzuweisen. Die Schwerpunkte der experimentellen Arbeiten liegen auf fermionischen Teilchensystemen, die sich in ultrakalten Systemen mit kontrollierbaren Wechselwirkungen realisieren lassen, sowie auf Quantensystemen, die aus wenigen stark wechselwirkenden Teilchen zusammengesetzt sind.

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