TRR 306: Quantenkooperativität von Licht und Materie – QuCoLiMa
Coordinator
Professor Dr. Joachim von Zanthier
Grant period
2021 - 2025
Funding body
Deutsche Forschungsgemeinschaft
DFG
Identifier
G:(GEPRIS)429529648
Note: Kooperatives Verhalten kann als überhöhte Antwort eines Systems vieler Teilchen relativ zu einer einzelnen Entität verstanden werden. Eine solche kollektive Antwort wird durch gegenseitige Kopplungen zwischen den Entitäten hervorgerufen, die nicht-lokale und langreichweitige Korrelationen in Raum und Zeit erzeugen. In der klassischen Welt bestimmt kooperatives Verhalten beispielsweise die Dynamik von Vogelschwärmen, die Schwarmintelligenz von Fischen oder die Entwicklung menschlicher Gesellschaften. In der Quantenwelt ist Superradianz ein herausragendes Beispiel. Hier werden durch Quanteninterferenzen die Emissionseigenschaften eines Ensembles von Emittern grundlegend gegenüber der Strahlung eines einzelnen Teilchens verändert. Die Modifikation resultiert aus der Verschränkung zwischen den Emittern, die entweder durch Beobachtung gestreuter Photonen oder durch Steuerung der Wechselwirkungen zwischen den Emittern induziert wird. Quantenkooperatives Verhalten existiert auf verschiedenen Längen- und Energieskalen, von der subatomaren bis zur makroskopischen Welt, von harter Röntgenstrahlung über sichtbares Licht bis hin zu molekularen Schwingungen, und zeigt sich in einer Vielzahl von physikalischen Systemen. Die experimentelle Kontrolle sowie die theoretische Beschreibung von quantenkooperativem Verhalten ist eine Herausforderung, insbesondere wenn Rauschen und Fluktuationen berücksichtigt werden. Eine allumfassende Beschreibung von Quantenkooperativität ist ein offenes Problem in der Physik.Dies ist die Ausgangslage der Forschung im SFB-TR 306 Quantenkooperativität von Licht und Materie - QuCoLiMa. Ziel ist es, Kooperativität auf der Quantenebene zu charakterisieren, zu steuern und letztendlich zu nutzen, sowie das Zusammenspiel von Quanteninterferenz und Verschränkung in der kollektiven Antwort von Vielteilchen-Quantensystemen zu verstehen, die mit Licht wechselwirken. Dabei wird insbesondere auch die Rolle der Quanteneigenschaften von Strahlung bei der Etablierung quantenkooperativer Phänomene untersucht. Dies geschieht entweder in einem Bottom-Up-Ansatz, bei dem das quantenkooperative Verhalten analysiert wird, wenn die Teilchenzahl systematisch vom mikroskopischen in den mesoskopischen Bereich erhöht wird, oder in einem Top-Down-Zugang, bei dem in makroskopischen Systemen quantenkooperatives Verhalten in kollektiven Freiheitsgraden identifiziert und kontrolliert wird. Dazu bringt der SFB-TR führende Theoretiker und Experimentatoren an vorderster Front der Forschung aus der Quantenoptik und der Physik der kondensierten Materie zusammen. Die erfolgreiche Umsetzung des anvisierten Forschungsprogramms wird zu einem systematischen Verständnis vom Aufbau räumlich und zeitlicher Quantenkorrelationen in mesoskopischen Licht-Materie-Systemen führen und die wesentlichen Zutaten für die Nutzung von Quantenkooperativität für quantentechnologische Anwendungen in den Bereichen Sensorik, Kommunikation und Quantencomputing identifizieren.
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