Quantenoptik und Spektroskopie
Die Forschungsgruppe um Rainer Blatt untersucht quantenphysikalische Prozesse an Ionen, die in Ionenfallen gespeichert sind. Ziel der Experimente ist es, eine möglichst vollständige Kontrolle über alle Quantenprozesse zu erlangen und diese Systeme zur experimentellen Speicherung und Verarbeitung von Quanteninformation einzusetzen. Dabei liegt der Schwerpunkt auf Experimenten zu Quantensimulation und -information mit Ionenkristallen sowie der Quantenmetrologie mit dem Ziel der Entwicklung einer Quantenlogik-basierten Atomuhr. Wichtige Ergebnisse der letzten Jahre waren die Realisierung verschiedener Quanteninformations-Protokolle wie z.B. Teleportation und Quantenfehlerkorrektur, die Verwirklichung von Quantengattern mit hoher Güte, die Verschränkung von bis zu 14 Ionen und Experimente zur Quantensimulation mit Ionenkristallen.
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Dipolare Quantengase
Die Forschungsgruppe um Francesca Ferlaino beschäftigt sich mit dipolaren Quantenphänomenen, wofür sie stark magnetische Atomspezies verwendet. So konnte die Gruppe im Jahr 2012 das erste Bose-Einstein-Kondensat mit Erbium (Er) und kurz danach das erste entartete Fermigas der selben Spezies erzeugen. Ferlaino und ihre Mitarbeiter haben mit diesem System bereits mehrere dipolare Wenig- und Vielteilcheneffekte nachgewiesen, wie z.B. die Beobachtung der durch die Wechselwirkung verursachten Deformation der Fermioberfläche oder das komplexe Spektrum der Streuresonanzen aufgrund der dominanten anisotropen Wechselwirkung. Sie wollen erstmals eine ultrakalte Mischung zweier stark magnetischer Elemente, Erbium (Er) und Dysprosium (Dy), erzeugen und damit den Grundstein zur Erforschung von komplexen, geometrieabhängigen Quantensysteme legen.
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Ultrakalte Atome und Quantengase
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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Supraleitende Quantenschaltkreise
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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Quantenoptik und Vielteilchenphysik
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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Quantenoptik und Quanteninformation
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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