Physik • Freie Universität Berlin

Die Quantenphysiker und Quantenphysikerinnen der Freien Universität Berlin beteiligen sich aktuell an zehn großen vom ERC bzw. BMBF finanzierten Forschungsverbünden: DebuQC, RealistiQ, HYBRID, QPIC-1, PhoQuant, MUNIQC, QSolid, QSolid, QR.X, DAQC und FermiQP.

Komplexe Quantensysteme

Alle komplexen Quantensysteme verbindet, dass sie faszinierende Eigenschaften haben, die trotz aller Einfachheit der dominierenden Wechselwirkungen extrem schwer vorauszusagen sind. Auf der anderen Seite kann diese Komplexität auch gezielt ausgenutzt werden, um praktische Anwendungen zu ermöglichen. Quantensimulatoren zum Beispiel haben das Potenzial selbst die schnellsten Supercomputer, die es heutzutage gibt, um Größenordnungen zu schlagen.

Quantensystem

Der Begriff "Quantensystem" bezieht sich auf physikalische Systeme, in denen Erscheinungsformen der Quantenmechanik sichtbar sind. Beispiele solcher Erscheinungsformen sind Quantisierung von Energie oder anderer Observablen, Interferenz von Teilchenwellen, Nicht-Lokalität oder quantenmechanisches Tunneln. Diese Erscheinungsformen unterscheiden die Quantenmechanik von der klassischen Mechanik, in der Observable kontinuierlich sind, Teilchen nicht interferieren und Tunneln verboten ist. Quantensysteme umfassen die gesamte mikroskopische Welt, wie Elementarteilchen und Atome, aber auch elektrische Leiter mit Dimensionen im Nanometerbereich, Halbleiter, große Moleküle sowie bestimmte Materialien, deren makroskopische Eigenschaften durch quantenmechanische Wechselwirkung auf mikroskopischen Skalen bestimmt werden.

Komplexität

Das Konzept der "Komplexität" beschreibt die Situation, in der das Verhalten eines Systems nicht aus seinen mikroskopischen Bestandteilen abgeleitet werden kann. Komplexe Systeme müssen im Hinblick auf jene Eigenschaften beschrieben werden, die charakteristisch für das Vielteilchensystem sind. Dieses Konzept ist sowohl in der klassischen Welt (z. B. Turbulenz) als auch für Quantensysteme relevant. Komplexe Systeme besitzen häufig eine große Zahl an Freiheitsgraden, und eine Analyse ihres Verhaltens verlangt meistens statistische Methoden.

Theoretische Erforschung komplexer Quantensysteme

Kombiniert man diese beiden Konzepte, versteht man komplexe Quantensysteme als physikalische Systeme, welche aus vielen Teilchen bestehen und deren Verhalten von quantenmechanischen Gesetzen bestimmt wird. Dieses Gebiet umfasst viele interessante und wichtige Forschungsrichtungen der gegenwärtigen theoretischen Physik, wie Quantentransport, Nanomagnetismus, mesoskopische Supraleitung, Quantenchaos, stark korrelierte Elektronensysteme, komplexe Materialien, bestimmte Gebiete der Biophysik, kalte atomare Gase sowie Quantenmessung, Quanteninformatik, oder Quanteninformation.

Unsere Untersuchungsmethoden

• Dichtefunktional-Theorie (DFT)
• Transport- und Streutheorie
• Modellierung von Nichtgleichgewichtszuständen und deren Eigenschaften
• Methoden der Quanteninformation
• Tensornetzwerke