 |
Dynamics of hybrid quantum systems
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
120975 |
| Type |
PD |
| Principal investigator |
Kálmán, Orsolya |
| Title in Hungarian |
Hibrid kvantumrendszerek dinamikája |
| Title in English |
Dynamics of hybrid quantum systems |
| Keywords in Hungarian |
ultrahideg atomok, Bose-Einstein kondenzátum, magneto-mechanikai csatolás |
| Keywords in English |
ultracold atoms, Bose-Einstein condensate, magneto-mechanical coupling |
| Discipline |
| Physics (Council of Physical Sciences) | 100 % | | Ortelius classification: Quantum mechanics |
|
| Panel |
Physics 1 |
| Department or equivalent |
Quantum Optics and Quantum Informatics Department (Wigner Research Centre for Physics) |
| Starting date |
2016-10-01 |
| Closing date |
2019-09-30 |
| Funding (in million HUF) |
15.087 |
| FTE (full time equivalent) |
2.10 |
| state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
Napjainkban a kvantummechanika törvényeinek engedelmeskedő atomok, fotonok viselkedését azok minden lényeges szabadsági fokában a kvantumos zaj által engedélyezett legpontosabb szinten kontrollálhatjuk. Felvetődik, hogy ezt összetett, ún. hibrid rendszerek kvantummechanikai szintű irányítására is kiterjesszük. Ehhez elengedhetetlen, hogy a részrendszerek közötti csatolás elegendően erős és jól kontrollálható legyen. Az ún. atomcsipek, melyekben egy dielektromos szubsztráton lévő áramvezetők mágneses terében ultrahideg atomok spinor Bose-Einstein kondenzátuma csapdázható alkalmasak lehetnek arra, hogy a rájuk integrált áramkörbe egy mechanikai oszcillációra képes nanovezetőt illesszünk. A rezgő nanodróton átfolyó áram keltette rádiófrekvenciás mágneses tér erősen csatolódik a kondenzátum atomjainak hiperfinom alnívói közötti átmenethez. A kölcsönhatás következtében átfordult spinű atomok, melyek kilépnek a csapdából, kísérleti atomszámlálási technikák révén összeszámolhatók. Ez a hibrid rendszer lehetővé teszi különböző típusú szabadsági fokok (az atomok helye, spinállapota, a nanovezeték rezgési állapota, valamint a rajta átfolyó áram) között a kvantumos információ átvitelét. Célunk, hogy numerikus és analitikus módszerekkel részletesen megvizsgáljuk a rádiófrekvenciás kicsatolás hatására a kondenzátumból kilépő atomok hullámfüggvényét és az általa a a kicsatoló térről hordozott információt. Arra is kíváncsiak vagyunk, hogy az egyes részrendszerek egymásra való visszahatása következtében lehetséges-e vezérelni a különböző természetű szabadsági fokokat egymással, vagy pedig magával a kvantumos méréssel hogyan befolyásolhatjuk az egyes részrendszerek kvantumállapotát.
Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
Az ultrahideg atomok és nanoméretű vezetők hibrid rendszerében a részrendszerek közötti erős magnetomechanikai csatolással milyen mértékben vihető át kvantumos információ a rendszer különböző részei között? Hogyan képeződik le az áram, illetőleg a kicsatoló tér zaja a Bose-Einstein kondenzátumból kilépő módusokra? Vezérelhető-e koherensen egyik szabadsági fok révén egy másik szabadsági fok egy ilyen hibrid rendszerben? Felépíthetünk-e ilyen kvantumosan jól kontrollálható hibrid rendszerekből nagyobb és összetettebb rendszereket, esetleg mérőeszközöket?
Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A kvantummechanikai kísérletek eszköztára és a nanotechnológia az elmúlt évtizedek során sok nagyságrendet áthidaló fejlődésen ment keresztül, mind a mérettartományt, mind a koherenciaidőt illetően és mára határuk lényegében összeért. A kétféle technológia összekapcsolását célzó hibrid rendszerek tervezése azonban elméleti megalapozást igényel. Azáltal, hogy egy mikroszkópikus szintű elméleti leírás révén azonosítjuk a releváns szabadsági fokokat és az ezek között kialakuló kölcsönhatást, majd pedig feltérképezzük a csatolt rendszer dinamikai jellemzőit, végső soron bepillantást nyerhetünk újszerű „kvantumgépek” működésébe és tervezési lehetőségeibe.
Az újfajta kvantuminterfészek megalkotása jelentős előrelépést jelent, mivel ezek képesek összekötni az erősen csatolt komponensekben külön-külön rejlő alkalmazási lehetőségeket. Például az alapállapotban kontrollált Bose-Einstein kondenzátumból egy nanovezető által keltett mágneses tér hatására kilépő atomok nagy hatásfokú számlálását átvihetjük elektromos áram vagy mechanikai rezgőmozgás pontos mérésére. A magnetomechanikai csatolás és hasonlóképpen más hibrid interfészek lehetővé teszik az egyik részrendszer kontrollált manipulálását a másik részrendszeren végzett tervezett méréssorozat visszahatásaként.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
Az elmúlt két évtizedben robbanásszerű fejlődés történt a kvantumtechnológiában, azaz a kvantummechanika törvényeinek engedelmeskedő mikrovilágbeli objektumok, úgy mint atomok, molekulák, fotonok, szilárdtestben lokalizált elektronok, stb. vizsgálata, kontrollált kezelése és alkalmazása területén. Ezekből az elemekből egyre nagyobb rendszerek építése a cél, amelyek a kvantummechanika különleges lehetőségeit kiaknázó alkalmazásokhoz vezetnek. A mi elméleti kutatásunk fő célkitűzése, hogy a fizika alapelvein nyugvó, egyszerű modelleket állítsunk fel bizonyos összetett, hibrid rendszerekre vonatkozóan, amelyek számot adnak az ilyen rendszerek erősen csatolt kvantumos elemeinek működéséről. A modellek segítségével új jelenségeket és felhasználási lehetőségeket kutatunk a mikroszkópikus kvantumvilág és a klasszikus makroszkópikus világ mérettartományai között. Az ebben a tartományban talált effektusok egyrészt az együttműködő partnereinknél folyó kísérletek értelmezését, valamint új kísérleti lehetőségek felderítését szolgálják, másrészt újfajta alkalmazások kiindulópontjai lehetnek. Hosszabb távon eredményeink hozzájárulhatnak ahhoz, hogy a kvantummechanika betörjön például a méréstechnikába, koncepcionálisan új mérőeszközök kifejlesztését inspirálva.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Atoms and photons can nowadays be manipulated and detected at the fundamental quantum noise level in all of their relevant degrees of freedom. It is plausible to extend this possibility to the quantum mechanical control of compound, hybrid systems as well. The prerequisite for this is the realization of a strong enough coupling among the subsytems that is externally controllable as well. We have previously started to study hybrid systems in which an ultracold spinor Bose-Einstein condensate is trapped in the magnetic filed of a so-called atomchip (a dielectric substrate with current-carrying wires integrated on it). We proposed to insert a nanowire, which is able to vibrate mechanically, into the electric circuit on the chip. The oscillating and current-carrying nanowire creates a radio-frequency magnetic field which couples to a transition between the hyperfine sublevels of the ultracold atoms. As a result of the interaction some atoms go through a spin-flip and leave the trap. They can be detected and counted by sensitive experimental atom-counting techniques. This hybrid system permits the mediation of quantum properties between degrees of freedom of completely different nature (such as spin and spatial location of atoms, the vibrational state of the wire, or its current). Our aim is to numerically and analytically investigate in detail the wavefunction of the outcoupled atoms leaving the trap and the information about the outcoupling field therein. We would also like to examine whether and how it is possible to control the quantum state of the different degrees of freedom with each other or with the quantum measurement itself.
What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
In the hybrid system composed of ultracold atoms and nanoscale conductors, to which extent is it possible to transfer quantum information from one subsytems to another? How is the current of the nanowire or the outcoupling magnetic field mapped onto the modes outcoupled from the Bose-Einstein condensate? Is it possible to coherently control one degree of freedom by another one in the hybrid system? Is it possible to use such quantum-mechanically well controllable hybrid systems as building blocks of larger and more complex systems, possibly measuring instruments?
What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
The toolbox of quantum mechanical experiments and nanotechnology have undergone a huge development in the past few decades, bridging over many orders of magnitude in size and coherence time, and by now, reached a common border. Hybrid systems aiming at connecting the two technologies, however, require a sound theoretical basis. By identifying the relevant degrees of freedom on the basis of a microscopical theory, and the interactions among them, which determine the dynamical features of the coupled systems, we can ultimately gain insigth into the working principles and possible design of novel 'quantum machines'.
The creation of new quantum interfaces would lead to a significant progress in science, because they are suitable to combine the applicability of each of the strongly coupled components. For instance, the high-efficiency counting of atoms released from a Bose-Einstein condensate as a result of an interaction with the magnetic field of a vibrating nanowire, can be transferred to the accurate measurement of the mechanical vibrations or the measurement of the electric current itself. Hybrid interfaces based on magneto-mechanical coupling or other similar interactions, enable the controlled manipulation of one of the subsystems by performing a designed sequence of measurements on another part of the system.
Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
In the last two decades, we have witnessed a breathtaking evolution in quantum technology, that is, in the investigation, controlled manipulation and application of micro-world objects – such as atoms, molecules, photons, and localized electrons in a solid – obeying the laws of quantum mechanics. The objective is the construction of larger and larger systems from these units, which may ultimately lead to applications that can exploit the special possibilities of quantum mechanics. The aim of our theoretical research is to establish, on the basis of first principles of physics, simple models of certain compound, hybrid systems, which account for the operation of the strongly coupled quantum components. With the help of these models, we explore new effects occurring on the border of the microscopic quantum world and the classical macroscopic world. Effects in this domain, on the one hand, serve the interpretation of experimental observations, or lead to possibilities for novel experiments at our collaborating partners. On the other hand, new results in this domain can start off the elaboration of novel applications. Our work contributes to the penetration of quantum mechanics further into, e.g, metrology by inspiring the design of conceptually new measuring devices.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
