Grafik: Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts (1)

Einige der faszinierendsten Phänomene in der Natur, sowohl im klassischen als auch im quantenphysikalischen Bereich, sind Ergebnis kooperativer Effekte. Das bedeutet, sie lassen sich nicht allein durch das Betrachten der einzelnen Komponenten verstehen, da sie aus dem Zusammenspiel zwischen ihnen entstehen. So wie niemand eine mechanische Uhr allein durch die Betrachtung ihrer Zahnräder und Federn begreifen wird. Bereits auf sehr grundlegender Ebene stellt die Lösung vieler dieser Probleme im Quantenbereich eine große intellektuelle Herausforderung dar. Darüber hinaus besteht ein ständig wachsendes Interesse daran, komplexe kooperative Plattformen zu entwickeln, zu kontrollieren und zu nutzen. Dabei helfen die aktuellen experimentellen Fortschritte, um die Lücke zu Anwendungen in neu entstehenden Quantentechnologien zu schließen.

Auf Einladung der renommierten Fachzeitschrift Physical Review hat die Gruppe Cooperative Quantum Phenomena des Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts in Erlangen unter der Leitung von Claudiu Genes ein praxisnahes Tutorial verfasst, um junge Forschende mit den theoretischen Aspekten vertraut zu machen, die Voraussetzung das Verständnis dieses dynamischen Forschungsfelds sind. Der Beitrag wurde kürzlich als frei zugängliches „PRX Quantum Tutorial“ veröffentlicht und veranschaulicht viele Anwendungen der Kooperativität in Richtung topologischer Quantenoptik, in der Quantenmetrologie oder in der Quanteninformation.

Das Tutorial steht in engem Zusammenhang mit der kürzlich gegründeten Initiative QuCoLiMa (Quantum Cooperativity of Light and Matter), dem von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Sonderforschungsbereich Transregio (TRR 306), an dem die Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), die Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) und die Universität des Saarlandes (UdS) beteiligt sind. Viele Aspekte, die für die Projekte von QuCoLiMa relevant sind, behandeln die Autor*innen detailliert in diesem Tutorial, wie z.B. Subradianz von korrelierten Quantenemitter-Ensembles, das Auftreten von superradiantem Lasing in verlustbehafteten optischen Hohlräumen, Hohlraum-Quantenelektrodynamik mit Quantenemitter-Arrays im Subwellenlängen-Bereich, das Design von kohärenten Lichtquellen im Nanobereich usw..

^{(1) Unsynchronisierte Atome in einem herkömmlichen Laser (l.); Synchronisierte Atome, die kohärentes Verhalten zeigen, in einem superradianten Laser, der Licht mit einer genau definierten Farbe aussendet, was zum Beispiel genauere Messungen ermöglicht. (r.). Grafik: Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts}

Original Publication:

Cooperative Quantum Phenomena in Light-Matter Platforms, Michael Reitz, Christian Sommer, and Claudiu Genes, DOI 10.1103/prxquantum.3.010201, PRX Quantum 3, 010201 (2022)

Further information:

Claudiu Genes

Cooperative Quantum Phenomena

claudiu.genes@mpl.mpg.de