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| Foundations and Applications of Quantum ScienceSpeaker: Rainer Blatt, Institut für Experimentalphysik, Universität Innsbruck AbstractThe research of the intended SFB will encompass theoretical and experimental investigations in the field of quantum optics and quantum information with particular emphasis on the foundations and applications of quantum science. Throughout the last decade, the consortium has learned to control and manipulate growingly complex quantum systems. Thus, the intended research will employ a large variety of quantum systems ranging form single photons from parametric down conversion in crystals as well as from single atoms, in some cases together with high finesse cavities, over single trapped and laser cooled ions in electro-dynamic traps, and samples of laser cooled atoms and molecules in traps, to ultra-cold gases, complex molecules in interferometers, mesoscopic quantum systems and various combinations of these. The goal of the research programme is the focussed and collaborative research that addresses fundamental questions in quantum information, in quantum optics with atoms and photons as well as their application for computation, communication, and metrological problems. Furthermore, one of the general goals of the intended SFB is the investigation towards what is usually called the quantum-classical boundary. While the laws of classical physics are known to describe the behaviour of large systems and the laws of quantum mechanics govern the realm of quantum systems, it is hitherto unknown and widely unexplored where and how the transition between the quantum and classical world appears. Increasingly complex systems exhibit a wealth of new phenomena and features that can be applied for the solution of technical questions and problems. For example, the ability to control and manipulate large registers of quantum objects allows one to build a quantum computer, or more generally quantum devices for advanced metrology and sensor technology. While large-scale number crunching with such machines still seems a long way off, scaling up systems comprised of building blocks that can be individually controlled can lead to very practical devices such as quantum repeaters for long distance quantum communication, advanced atomic clocks, highly sensitive detectors and more. Moreover, the theoretical understating of, and the experimental use of, small to mesoscopic quantum arrangements can be used to simulate systems that are virtually impossible to compute on classical computers. ZusammenfassungDie Forschung im Rahmen des beantragten SFBs umfasst theoretische und experimentelle Untersuchungen auf dem Gebiet der Quantenoptik und Quanteninformation mit besonderem Augenmerk auf Fragen sowohl der Grundlagen als auch der Anwendungen der Quantenphysik. Während der zurückliegenden zehn Jahre hat das Konsortium gelernt, immer komplexere Quantensysteme zu beherrschen. Daher wird die beabsichtigte Forschung eine Reihe von ganz verschiedenen Quantensystemen für die Fragestellungen einsetzen. Diese reichen von einzelnen Photonen aus parametrischer Abkonversion in Kristallen und von einzelnen Atomen, in einzelnen Fällen zusammen mit Hochfinesse-Resonatoren, über einzelne gespeicherte und Laser-gekühlte Ionen in elektrodynamischen Fallen und Ensembles von gekühlten Atomen und Molekülen in Fallen zu ultrakalten Gasen, komplexen Molekülen in Interferometern, mesoskopischen Quantensystemen und verschiedenen Kombinationen davon. Das Ziel des Forschungsprogramms ist die fokussierte und kollaborative Forschung zu fundamentalen Fragen der Quanteninformation, zur Quantenoptik mit Atomen und Photonen sowie zu deren Anwendungen für Rechenprobleme, die Kommunikation und für die Metrologie. Darüber hinaus ist ein generelles Ziel des SFBs, die Untersuchungen mehr und mehr in Richtung der „quanten-klassischen" Grenze zu führen. Während die Gesetze der klassischen Physik das Verhalten großer Systeme bekanntlich beschreiben, ist es immer noch weitgehend unbekannt und kaum untersucht, wo und wie der Übergang von quantenmechanisch zur klassisch zu beschreibenden Welt auftaucht. Zunehmend komplexe Systeme bieten eine große Vielfalt von neuen Phänomenen und Eigenschaften, die für die Lösung technischer Fragen und Probleme eingesetzt werden können. Zum Beispiel erlaubt die Möglichkeit der Kontrolle und Manipulation größerer Register von Quantenobjekten den Bau von Quantencomputern, oder allgemeiner, von Quantenapparaten für die verbesserte Metrologie und Sensortechnologie. Während der breite Recheneinsatz von solchen Maschinen noch recht fern scheint, kann die Skalierung solcher Systeme mit Hilfe von einzelnen Quantenbausteinen, die individuell kontrollierbar sind, bereits sehr praktische Geräte liefern, wie zum Beispiel die sogenannten Quanten-Repeater, fortgeschrittene Atomuhren, hochempfindliche Detektoren usw. Das theoretische Verständnis und die experimentelle Beherrschung von kleinen und mesoskopischen Quantensystemen können dann verwendet werden für die Simulation von Systemen, die mit klassischen Rechnern nicht mehr zu bewältigen sind. | Supporting Organizations |
