Prof. Dr. Klemens Hammerer - quest

Markus Knabl (IQOQI – Australien Academy of Science)
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Albert-Einstein-Institut Hannover
Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik
und Leibniz Universität Hannover
Telefon: (+49) (511) 762-17172
E-Mail: klemens.hammerer@aei.mpg.de
Group Leader | Gruppenleiter
Prof. Dr. Klemens Hammerer
Quantum theory makes some rather
peculiar predictions about the states and
processes, which may occur in physical
systems. These curious predictions have
proven true in a large number of tests with
microphysical systems, such as single atoms
or single particles of light (photons). The research
activities in the group “Theoretical
Physics—Macroscopic Quantum Objects”
centers around the question how large—in
the widest sense—a physical system can be
without losing its quantum physical properties.
At the intersection between Theoretical
Quantum Optics, Quantum Information
Theory and nano- and microstructured solid-state
systems, we aim to devise means
to test quantum theory in the macroscopic
range. Besides this fundamental problem
we also investigate possible applications of
quantum physics in quantum information
and communication technologies, and metrology.
In close collaboration with leading
experimental groups we are investigating a
broad spectrum of quantum systems, ranging
from single photons and atoms in cavities,
by way of atomic ensembles and nano-
and micromechanical oscillators, through
to macroscopic test masses in gravitational
wave detectors. This work is focussed on
quantum coherent effects in light matter
interactions and their use for the preparation,
control and verification of the quantum
states of macroscopic objects.
This research group will start on
September 15 th 2010.

Future Research Group | Zukünftige Forschungsgruppe
Theoretical Physics—Macroscopic Quantum Objects
Quantenzustand eines harmonischen Oszillators in einer nicht-klassischen Superposition in Wignerfunktionsdarstellung (links), im Vergleich dazu die Darstellung eines klassischen Gemisches (rechts).
Quantum state of a harmonic oscillator in a non-classical superposition state in a Wigner function representation (left). By way of comparison, a representation of a classical mixture (right).
Die Quantentheorie macht einige äußerst bemerkenswerte
Aussagen über Zustände und Vorgänge, die in physikalischen
Systemen auftreten können. Diese merkwürdigen
Vorhersagen erwiesen sich bereits in einer Vielzahl an Tests
mit mikrophysikalischen Systemen, wie zum Beispiel mit
einzelnen Atomen oder einzelnen Lichtteilchen (Photonen),
als unerschütterlich. Die Forschung der Gruppe „Theoretical
Physics – Macroscopic Quantum Objects“ dreht sich um die
zentrale Frage, wie groß – im weitesten Sinne – ein physikalisches
System sein kann, ohne seine quantenphysikalischen
Eigenschaften zu verlieren. An der Schnittstelle zwischen
theoretischer Quantenoptik, Quanteninformationstheorie
und nano- und mikrostrukturierten Festkörpersystemen
sollen Wege gefunden werden, um die Quantentheorie im
Makrokosmos zu testen. Neben dieser fundamentalen Fra-
gestellung werden auch mögliche Anwendungen der Quantenphysik
in der Quanteninformations- und Quantenkommunikationstechnologie
sowie der Metrologie untersucht.
In enger Zusammenarbeit mit jeweils führenden experimentellen
Gruppen befassen wir uns dabei mit einem breiten
Spektrum von Quantensystemen, von einzelnen Photonen
und Atomen in Fabry-Perot-Resonatoren über atomare Ensembles
und nano- oder mikromechanische Oszillatoren
bis hin zu makroskopischen Testmassen in Gravitationswellendetektoren.
Der Fokus der Arbeiten liegt in der Nutzung
von quantenkohärenten Effekten in der Wechselwirkung
von Licht und Materie, um den Quantenzustand massiver,
makroskopischer Objekte präparieren, kontrollieren und verifizieren
zu können.
Diese Arbeitsgruppe beginnt am 15. September 2010.
Klemens Hammerer
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privat
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Institut für Theoretische Physik
Leibniz Universität Hannover
Telefon: (+49) (511) 762 17508
E-Mail: tobias.osborne@itp.uni-hannover.de
Group Leader | Gruppenleiter
Prof. Dr. Tobias J. Osborne
A key objective of this research group is
the development of interdisciplinary results
exploiting quantum information concepts
in adjoining disciplines. One ongoing project
in this area is the development of new
theoretical tools in condensed matter physics
to obtain insights into the properties of
quantum entanglement. This has resulted
in a series of results highlighting quantum
entanglement as the key physical property
underlying strongly correlated quantum phenomena
such as quantum phase transitions.
A by-product of this investigation has been
the development of general new theoretical
tools for understanding the non-equilibrium
phenomena of strongly-correlated quantum
spin systems. One important result which has
emerged, has been the identification of the
key role information propagation plays in the
simulatability of a complex quantum system.
Weitere Forschungsprojekte Further Research Projects
» Variationsprinzip und Wellenfunktionen der Quantenfeldtheorie
» Lokalisierung für ungeordnete Multi-Teilchen-Systeme
» Spektraleigenschaften der Quantenfeldsysteme
» Development of variational wavefunctionals for low-dimensional quantum field
theories
» Disorder and localisation for multi-particle dynamical systems
» Spectral properties of quantum field systems
Kooperationen Collaborations
» Quantenoptik, Quanten-Nanophysik, Quanteninformation, Universität Wien, Österreich
» DAMTP, Cambridge University, Großbritannien
» Max-Planck-Institut für Quantenoptik
» Quanteninformation, Universität Potsdam
» Institute for Quantum Information, Caltech, USA
» Finanzmathematik, 2007-2008
» Differentialgleichungen, 2005-2008
» Elektromagnetische Theorie, 2006
» Chaostheorie, 2005-2008
» Partner des Wissenschaftskollegs zu Berlin, 2009-2010
» Auszeichnung für beste Lehre, Royal Holloway College
» Quantum Optics, Quantum Nanophysics, Quantum Information, Universität Wien,
Austria
» DAMTP, Cambridge University, Great Britain
» Max-Planck-Institut für Quantenoptik
» Quantum information theory, Universität Potsdam, Germany
» Institute for Quantum Information, Caltech, USA
Lehre (Auszug) Selected Teaching
» Financial mathematics, 2007-2008
» Differential equations, 2005-2008
» Electromagnetic theory, 2006
» Chaos theory, 2005-2008
Auszeichnungen Awards
» Fellow of the Wissenschaftskolleg zu Berlin, 2009-2010
» Royal Holloway college best practice teaching prize
This has led to a general efficient procedure for
simulating the dynamics of strongly interacting
quantum spin systems.
In the same area, insights in quantum information
theory have also been used to understand
the phenomena of Anderson localisation
in strongly interacting scenarios. Here
the localisation phenomena slows down the
propagation of information through a complex
quantum system rendering it efficiently
simulatable. It is now expected that new insights
into the properties of quantum cellular
automata will lead to general results establishing
Anderson localisation for a much wider
class of systems than hitherto known.
Recently, the application of quantuminformation
theoretical tools to the more remote
discipline of quantum field theory was
initiated. In this respect quantum-entanglement
inspired results have already led to the
first successful application of the variational
principle to a non-trivial relativistic quantum
field theory. In the longer term, the aim of
this promising wide-ranging project is to
obtain results explicating confinement and
non-equilibrium physics for gauge field
theories.

Future Research Group | Zukünftige Forschungsgruppe
Quantum Information
Illustration der Dynamik der Korrelationsfunktionen für ein interagierendes
Teilchen-System in einem ungeordneten Feld.
Illustration of the dynamics of the correlation functions of an interacting particle
system in a disordered field.
Ein wesentliches Ziel dieser Forschungsgruppe ist die
Entwicklung interdisziplinärer Ergebnisse durch Ausnutzung
der Erkenntnisse der Quanteninformation in benachbarten
Disziplinen. Ein laufendes Projekt in dieser Richtung ist die
Entwicklung neuer Werkzeuge für die Theorie der Kondensierten
Materie, bei der Einsichten der Verschränkungstheorie
zum Einsatz kommen. Dies hat zu einer Gruppe von
Ergebnissen geführt, die Verschränkung als physikalische
Schlüsseleigenschaft für Phänomene wie Quantenphasenübergänge
beleuchten. Ein Nebenprodukt dieser Untersuchung
war die Entwicklung von allgemeinen Methoden für
Nichtgleichgewichtsphänomene in stark korrelierten Quantenspinsystemen.
Ein wichtiger Schritt war die Erkenntnis der
Schlüsselrolle der Informationsausbreitung für die Simulierbarkeit
komplexer Quantensysteme. Daraus ergaben sich
effiziente Verfahren zur Simulation der Dynamik stark wechselwirkender
Spinsysteme.
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In dieser Richtung fortschreitend wurden Einsichten
der Quanteninformationstheorie wichtig für das Verständnis
der Anderson-Lokalisierung in stark wechselwirkenden
Szenarien. Dabei verlangsamt die Lokalisierung die Informationsausbreitung,
und macht damit das komplexe System
effizient simulierbar. Es wird erwartet, dass Erkenntnisse über
Quantenzellularautomaten dazu beitragen werden, das Phänomen
der Anderson-Lokalisierung für eine viel größere Systemklasse
als bisher nachzuweisen.
Kürzlich wurde auch die Anwendung von Methoden
der Quanteninformationstheorie auf die entfernter liegende
Quantenfeldtheorie in Angriff genommen. Derart inspirierte
Ergebnisse haben schon zur ersten erfolgreichen
Anwendung des Variationsprinzips auf eine nicht-triviale
relativistische Quantenfeldtheorie geführt. In der weiteren
Entwicklung dieses langfristigen Projekts werden Ergebnisse
zum Confinement und zur Nichtgleichgewichtsphysik von
Eichtheorien angestrebt.
Tobias J. Osborne
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Vockerodt (QUEST)
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Institut für Theoretische Physik
Leibniz Universität Hannover
Telefon: (+49) (511) 762 17501
E-Mail: reinhard.werner@itp.uni-hannover.de
Group Leader | Gruppenleiter
Prof. Dr. Reinhard F. Werner
Theoretical quantum information research
in QUEST spans the full breadth of the discipline,
from quantum algorithm development
for quantum computers and theoretical quantum
Shannon theory through to practical applications
with research on quantum control,
experimental implementations of quantum
computers, and quantum cryptography.
This research group, led by Prof. Dr. Reinhard
F. Werner, transferred from the Technical
University of Braunschweig in April 2009, and
is well-known for the mathematically rigorous
analysis of quantum information phenomena.
Fundamental contributions include the now
accepted mathematical definition of entanglement
(1983), the analysis of general teleportation
processes, a quantitative formulation of
Weitere Forschungsprojekte Further Research Projects
» Datenstrukturen und Domänen für Quanteninformation
» 1/N-Korrekturen für allgemeine Mean-Field Theorien
» Modellierung von Korrelationen zwischen Quantenprozessen in kontinuierlicher Zeit
» Axiomatik der Quantentheorie und allgemeinerer statistischer Theorien
» Matrix geordnete Operatorräume
» Albert-Einstein-Institut, Hannover
» Instiut für Quantenoptik, Hannover
» BMBF-Projekte
» EphQuam
» QuORep
» EU-Projekte
» Q-ESSENCE
» COQUIT
» CORNER
» Quanteninformationstheorie, 2009
» Statistische Mechanik and Thermodynamik, 2009/2010
» Functionalanalysis für Physiker, 2010
» Rechenmethoden der Physik, 2010/2011
» Data structures and domains for quantum information
» 1/N correction to general mean field theories
» Modeling of correlations between continuous time processes
» Axiomatics of quantum theory and more general statistical theories and their composition
» Matrix ordered operator spaces
Kooperationen Collaborations
» Albert Einstein Institute, Hannover, Germany
» Instiute for Quantum Optics, Hannover, Germany
» BMBF Projects
» EphQuam
» QuORep
» EU Projects
» Q-ESSENCE
» COQUIT
» CORNER
Lehre (Auszug) Selected Teaching
» Quantum Information Theory, 2009
» Statistical Mechanics and Thermodynamics, 2009/2010
» Functional Analysis for Physicists, 2010
» Computational Methods of Physics, 2010/2011
the trade-off between information gain and
disturbance for quantum measurements.
Current research areas extend from quantum
lattice systems with discrete time dynamics,
such as quantum walks and cellular automata,
quantum cryptography from general dependencies
between Bell-type correlations and security
through to the theoretical part of the
QUEST project, “Crypto on Campus”, complexity
of quantum algorithms, and general issues
of time in quantum theory (together with Jun.
Prof. Andreas Ruschhaupt). A topic, which is
of increasing relevance for the group, is the
application of entanglement theory, complexity
ideas, and control theory to the analysis of
complex systems.

Future Research Group | Zukünftige Forschungsgruppe
Quantum Information
Kaustik, deren Dichte die asymptotische
Ortsverteilung einer zweidimensionalen
unitären Quanten-
Irrfahrt beschreibt.
Caustic whose density represents the
asymptotic position distribution of a
unitary quantum walk on a 2-dimen-
sional lattice.
Die Forschung zur Quanteninformationstheorie in
QUEST umspannt die gesamte Breite dieses Gebiets, von der
Entwicklung von Algorithmen für Quantencomputer und
der quantentheoretischen Entsprechung der Shannonschen
Informationstheorie bis hin zu praktischen Anwendungen
der Quantenkontrolle, experimentellen Realisierungen von
Quantencomputern und der Quantenkryptographie.
Diese Arbeitsgruppe kam im April 2009 von der Technischen
Universität Braunschweig nach Hannover und ist vor
allem für die Untersuchung von Phänomenen der Quanteninformation
mit mathematisch strengen Methoden bekannt.
Zu den grundlegenden Beiträgen gehören die mathematische
Definition der Verschränktheit von 1983, die Analyse
allgemeiner Teleportationsprozesse sowie eine quantitative
Formulierung des Wechselverhältnisses von Informationsgewinn
und Störung des Systems bei Quantenmessungen.
Die gegenwärtigen Forschungsaktivitäten betreffen
Quantengittersysteme mit Dynamik in diskreter Zeit, wie
zum Beispiel Quantenirrfahrten und Quantenzellularautomaten,
ferner die Quantenkryptographie, von den allgemeinen
Zusammenhängen zwischen Bell-artigen Korrelationen
und Sicherheit hin zum Theorieteil des QUEST-Projekts
„Crypto on Campus“. Weiterhin wird in Zusammenarbeit mit
Jun.-Prof. Dr. Andreas Ruschhaupt die Rolle der Zeit in der
Quantenmechanik untersucht. Ein Thema mit wachsender
Bedeutung ist die Anwendung von Verschränkungstheorie
und Ideen aus Komplexitäts- und Kontrolltheorie auf die
Analyse komplexer Systeme.
Reinhard F. Werner
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