Theorieabteilung am Atominstitut

Von theoretischen Grundlagen zu Anwendungen in Quantentechnologien

Am Atominstitut findet man nicht nur moderne Labore, sondern auch an den theoretischen Grundlagen der Quantentheorie wird eifrig geforscht: Der Forschungsbereich „Quantenoptik und Quanteninformation“ vereint Theorie-Expertise in verschiedenen Gebieten der modernen Quanteninformationsverarbeitung, von Quantenkommunikation, Quantenoptik, und Quantencomputing, bis hin zu Quantenthermodynamik und den Fundamenten der Quantenphysik. Doch nicht nur in Fragen der Thematik ist der Forschungsbereich breit aufgestellt und alles andere als verstaubt. Bestehend aus mehreren jungen Gruppen, zwei davon geleitet von dynamischen Wissenschaftlerinnen von außerhalb Österreichs, welchen mit sogenannten Tenure-Track-Stellen vielversprechende Zukunftsperspektiven geboten werden konnten, und derzeit insgesamt 31 Mitarbeiter*innen (davon 14 weiblichen) verschiedenster Karrierestufen mit 16 verschiedenen Nationalitäten, präsentiert sich der der Forschungsbereich als divers, international, und kollaborativ.

Konkret beschäftigten sich die Teams des Forschungsbereichs damit, wie sich mit Quantensystemen wie etwa Lichtteilchen, Elektronen, oder Atomen Information speichern, übertragen, und bearbeiten lässt. Als kleinste Informationseinheit gilt hier das sogenannte Quantenbit, kurz Qubit, welches unsere klassische Vorstellung von Null oder Eins in die Quantenwelt übersetzt, dort aber doch so viel mehr sein kann als eben nur Null oder Eins, und zwar durch sogenannte Superposition: In der quantenmechanischen Überlagerung von verschiedenen Möglichkeiten steckt das Potential für Schlüsselphänomene der Quantenwelt wie die sogenannte Verschränkung. Diese kann zur sicheren Erzeugung von Codes zur Verschlüsselung von versendeten klassischen Daten, aber auch zur Übertragung von Quanteninformation mittels Quantenteleportation, oder verbesserter Präzision in Messverfahren verwendet werden kann, und sie spielt auch eine wichtige Rolle im Verständnis von Quantencomputern und quantenmechanischen Vielteilchenstrukturen in Gasen oder festen Körpern.

Um solchen Anwendungen und den dahinterstehenden Prinzipien auf den Grund zu gehen, werden in der Theorieabteilung des Atominstituts aber nicht nur abstrakte Verfahren untersucht, sondern auch die Möglichkeiten, diese in konkreten physikalischen Systemen umzusetzen. Die Quantenoptik als quantenmechanische Theorie der Beschreibung von Licht und dessen Wechselwirkung mit Materie bildet hier die Basis. Im Rahmen der Quantenthermodynamik wird dagegen den fundamentalen Einschränkungen unserer Kontrolle und unseres Wissens über spezifische Quantensysteme Rechnung getragen, und analysiert, wie sich etwa Wärme, Unordnung, Fluktuationen, und unliebsame Wechselwirkungen der fragilen Quantensysteme mit ihrer Umgebung beschreiben lassen. Geleitet von diesen Prinzipien widmen sich die Forscher*innen im Forschungsbereich einem weiten Repertoire von Fragen zu den Grenzen unseres Wissens, von der Natur quantenmechanischer Messungen und der objektiven Realität ihrer Ergebnisse, bis hin zu „Was ist Zeit und was ist notwendig, um sie zu messen?“