Projektbereich A: Quanten-korrelierte Vielteilchensysteme
Projektbereich B: Quantenmetrologie zum Test physikalischer Grundlagen
Im Sinne dieser Vision konzentriert sich unsere Forschungsagenda auf zwei Hauptthemen, die in zwei Projektbereichen organisiert sind. Das Hauptziel von Projektbereich A "Quanten-korrelierte Vielteilchensysteme" ist die Entwicklung eines umfassenden Verständnisses und der Kontrolle interagierender, korrelierter Zwei- und Mehrteilchensysteme. Unser erster Schwerpunkt liegt auf der Entwicklung neuer Werkzeuge zur Manipulation, Detektion und Charakterisierung von Quantenkorrelationen in Systemen von zehn bis zehntausenden von Teilchen. Wir werden ein Verständnis und letztlich die Fähigkeit entwickeln, die Dynamik offener Systeme zu nutzen, die in vielen Anwendungen eine entscheidende Rolle spielen. Sobald wir diese Quanten-Vielteilchensysteme gemeistert haben, werden wir ihre Gleichgewichts- und Nicht-Gleichgewichtseigenschaften in 1D-, 2D- und 3D-Geometrien untersuchen und Anwendungen erforschen, einschließlich der Quantensimulation von Quantenmagnetismus, neuartigen Quantenphasen, Suprasolidität und Haldane-Isolatoren sowie der Untersuchung des Übergangs von Quanten zu klassischer Energie und der Nichtlokalität von Quanten in immer größeren Systemen.
Das Hauptziel von Projektbereich B "Quantenmetrologie zum Test physikalischer Grundlagen" ist das Design quantenkorrelierter Zwei- und Mehrteilchenzustände, um die Leistung geeigneter Messinstrumente wie Uhren und Materiewelleninterferometer zu verbessern und ihre verbesserte Auflösung und Empfindlichkeit zu nutzen, um die Physik über das Standardmodell (SM) hinaus zu erforschen. Wir werden den Betrieb von Atominterferometern bis zu 16 dB unter dem Standardquantenlimit (SQL) demonstrieren, und Materiewelleninterferometer mit Wellenpakettrennungen von Metern, die für Sekunden untersucht werden, und ihre Nützlichkeit für die Trägheitssensorik und in Atomuhren demonstrieren. Wir werden optische Multi-Ensemble-Uhren mit Ungenauigkeiten besser als 10-18 und Instabilitäten nahe 10-17 nach 1 Sekunde Integrationszeit bauen, wobei Korrelationen zur Verbesserung des Signal-Rausch-Abstandes und zur Unterdrückung von systematischen Effekten eingesetzt werden. Durch die Erweiterung der Quantenatomoptik auf exotischere Systeme wie (Anti-)Protonen, Atomkerne und Moleküle können wir hochgenaue Frequenzvergleiche zwischen neuartigen Systemen durchführen. Die genaue Spektroskopie solcher Systeme wird es uns ermöglichen, die aktuellen Grenzen bei Verletzungen der CPT-Symmetrie, bei Verletzungen der lokalen Lorentz-Invarianz (LLI) und bei einer möglichen Variation der Feinstrukturkonstante α oder des Elektron-Protonen-Massenverhältnisses µ = me/mp um mindestens zwei Größenordnungen zu verbessern und so astrophysikalische Beobachtungen zu ergänzen und möglicherweise zu klären. Darüber hinaus werden wir eine Quantenversion des Äquivalenzprinzips entwickeln und mögliche nicht-triviale Effekte der Schwerkraft an erweiterten Quantenobjekten untersuchen.
Beiden Projektbereichen arbeiten zur Erreichung der übergreifenden Vision von DQ-mat in so genannten Themengruppen zusammen, in denen mehrere Projekte gemeinsam ausgewählte Themen aus unterschiedlicher Perspektive behandeln werden. Die Themengruppen fungieren als zentrale Kommunikations- und Kooperationszentren innerhalb von DQ-mat: Projektwissenschaftler in einer Themengruppe treffen sich regelmäßig, um gemeinsame wissenschaftliche Fragen zu diskutieren, neue Ideen an der Schnittstelle von Metrologie und Vielteilchenquantensystemen zu entwickeln und den Transfer erfolgreicher Konzepte von etablierten auf neuartige und möglicherweise stärker beteiligte Systeme zu fördern.
