Willkommen an Bord„Quantenphysik ist das Fundament für die aktuellen aufregenden Entwicklungen in den Quantentechnologien“Prof. Dr. Peter Schauss verstärkt die Fakultät für Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften

18. Oktober 2024, von Schauss/Red.

Foto: privat

Prof. Dr. Peter Schauss

Jedes Jahr kommen zahlreiche neue Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler an die Universität Hamburg. In dieser Reihe stellen wir sie und ihre Forschungsgebiete vor. Dieses Mal: Physiker Prof. Dr. Peter Schauss

Prof. Dr. Peter Schauss ist von der University of Virginia, U.S.A. nach Hamburg gekommen und arbeitet seit dem 1. September 2024 am Institut für Quantenphysik und im Exzellenzcluster „CUI: Advanced Imaging of Matter“. 

Mein Forschungsgebiet in drei Sätzen:

Die Entwicklung neuer Quantentechnologien setzt ein tiefes Verständnis von Quantenphysik voraus. Der Fokus meiner Forschung liegt im Bereich Quantensimulation und Quantencomputing mit ultrakalten Atomen. Vielteilchen-Quantenphysik ist extrem schwer auf klassischen Rechner zu simulieren und die Verwendung von gut bekannten Quantensystemen zur Quanten-Simulation oder Berechnung führt voraussichtlich zu effizienteren Ansätzen, um komplexe Quantensysteme zu verstehen.

Einerseits untersuchen wir Quantenvielteilchensysteme auf dem Einzelatomniveau in optischen Gittern, welche Modellsysteme für Hochtemperatursupraleiter darstellen.

Andererseits arbeiten wir mit individuellen Atomen in optischen Pinzetten für Quantencomputing und Quanteninformation. Die Ununterscheidbarkeit von Atomen desselben Isotops macht diese zu idealen Kandidaten für Quantenbits und kürzliche Fortschritte haben das Forschungsfeld nahe an eine Realisierung lang-lebiger verschränkter Zustände von neutralen Atomen gebracht.

Das sind meine Pläne an der Uni Hamburg:

Ultrakalte Atom Experimente basierten historisch größtenteils auf der Abbildung großer Atomensembles. Mit den neuen Anwendungen im Bereich von Quantencomputing hat sich der Fokus auf die Abbildung und Manipulation von individuellen Atomen verschoben. Ich arbeite seit vielen Jahren mit sogenannten Quantengasmikroskopen, welche die gleichzeitige Abbildung von viele Einzelatomen ermöglichen. Meine ersten Pläne sind der Umzug und Inbetriebnahme meines Quantengasmikroskop-Experiments und der Aufbau eines neuen Experiments im Bereich Quantencomputing. Das neue Experiment ermöglicht vielfältige Möglichkeiten für Zusammenarbeit mit dem Rymax One Projekt in Hamburg. Außerdem strebe ich an, das Institut für Quantenphysik und den Exzellenzcluster „CUI: Advanced Imaging of Matter“ in Hamburg mit neuen Kollaborationsprojekten zu verstärken und die internationale Bekanntheit zu erhöhen.

Darum sollten Studierende unbedingt meine Veranstaltungen besuchen:

Moderne Technologien basieren zunehmend auf Quanteneffekten. Während Quantenphysik für viele Jahre größtenteils fundamentale Effekte untersucht hat, gibt es nun den Trend Quanteneffekte zur Lösung andere Probleme anzuwenden.  Das schließt sowohl Quantensimulation ein, wofür komplexe Quantensysteme mit einer „Kalte-Atom-Werkzeugkiste“ nachgebaut werden, als auch Quantencomputing, welches auf der Nutzung der erhöhten Rechenleistung durch Quanteneffekte basiert. Ich werde die neuesten Entwicklungen in den Bereichen der Quantenphysik und Quantentechnologien in meine Lehre integrieren und habe Verbindungen zu mehreren Quantencomputing-Startups, was mir hilft die benötigten Grundlagen für Industrieprojekte basierend auf Quantentechnologien einzuschätzen.

Darum ist meine Forschung für die Gesellschaft wichtig – zur Lösung dieser Probleme könnte meine Forschung beitragen:

Mit der fortschreitenden Miniaturisierung von Computerprozessoren erreichen die Längenskalen von integrierten Schaltkreisen Größenordnungen, in denen Quanteneffekte relevant werden. Daher ist das Verständnis von Quantenphysik bereits heute ein zentraler Bestandteil im Design von Computern. Während bisher der Fokus darauf war, den Einfluss von Quanteneffekten auf klassische Berechnungen zu unterdrücken, werden Anwendungen der Quantenphysik der nächsten Generation in ihrem Funktionsprinzip auf den Gesetzen der Quantenphysik beruhen. Solche Geräte zu entwickeln, verlangt ein tiefgreifendes Verständnis der Quantenphysik, welches durch die Realisierung von Quantensystemen mittels ultrakalter Atome erreicht werden kann. Einige Systeme basierend auf ultrakalten Atomen sind bereits in praktischen Anwendungen, zum Beispiel optische Atomuhren, welche Zeitmessungen verbessern und in der Zukunft die Präzision von Navigationssystemen verbessern werden.

Und so erkläre ich Freunden und Familie, worum es da geht:

Auf sehr kleinen Skalen beschreibt die klassische Physik die Natur nicht mehr sehr genau. Zum Beispiel werden Teilchen wie Elektronen in der klassischen Physik als Punktladungen modelliert, zeigen allerdings in der Realität Welleneigenschaften auf sehr kleinen Skalen. Experimentell sind diese Abweichungen schwer zu detektieren, und Messungen benötigen häufig sehr komplizierte Experimentaufbauten. In meiner Forschung realisieren und charakterisieren wir Vielteilchenzustände, die solche Abweichungen durch Quanteneffekte zeigen, um tiefere Einsichten in quantenmechanische Modelle zu gewinnen. Wir verwenden solche Quanteneffekte, um unser Verständnis von Quantensystemen in der Festkörperphysik zu erweitern und um Quantentechnologien wie Quantencomputing zu realisieren.

Darum freue ich mich auf Hamburg –  auf die Stadt und die Universität

Ich freue mich auf die Arbeit an der Universität Hamburg und am Institut für Quantenphysik mit dem Ziel unsere herausfordernden Projekte zusammen mit den großartigen Kollegen in experimenteller und theoretischer Physik voranzutreiben.

Ich habe jetzt neun Jahre in den USA gelebt, wohin ich direkt nach meiner Doktorarbeit in Deutschland gekommen bin. Ich freue mich, zurück nach Deutschland zu ziehen, alte Freunde zu treffen und mit den Kollegen in Hamburg zusammenzuarbeiten.

Ich freue mich auch auf die niedrigen Temperaturen in Hamburg im Vergleich zu Virginia, auf Fahrradfahren im Umland von Hamburg auf richtigen Fahrradwegen und auf die kulturellen Veranstaltungen, die Hamburg zu bieten hat.

Blick in die weite Welt – Mit diesen internationalen Einrichtungen, Universitäten oder Institutionen arbeite ich zusammen:

Ich hoffe die internationalen Kollaborationen an der Universität Hamburg zu verstärken, insbesondere mit meinen Verbindungen in die USA, aber auch mit Freunden und Kollegen, die nun Professoren- und Forscherstellen in aller Welt haben, z.B. in Frankreich, Italien, Großbritannien, Österreich, China, Japan und Korea. Ich habe in den vergangene Jahren Projekte zu Publikationen geführt mit Kollegen in USA, Kanada, Brasilien und Frankreich.