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Quantensysteme aus vielen Teilchen zeigen oft Phänomene, die technologisch hochrelevant sind, deren komplexe Wirkungsweise jedoch nicht vollständig verstanden ist. Beispiele für solche Quantensysteme sind Hochtemperatursupraleiter, in denen Strom ohne Widerstand fließt. Selbst bei Kenntnis der elementaren Gesetzmäßigkeiten ist es oft nicht möglich diese auf modernen Supercomputern vollständig zu simulieren und so zu verstehen. Allein der Speicherplatz, der benötigt wird, um den Quantenzustand eines Systems aus vielen Teilchen zu speichern, skaliert exponentiell mit der Anzahl der Teilchen. Bereits zur physikalisch richtigen Simulation von 200 Teilchen müssten mehr Zahlen im Speicher des Computers abgelegt werden, als es Atome im Universum gibt.

Die Quantensimulation ermöglicht es, die komplexe Physik in solchen Quantensysteme zu untersuchen: Dafür nutzt man ein Quantensystem, das man präzise kontrollieren kann, um das komplexere Quantensystem, das von Interesse ist, nachzubilden und dessen Eigenschaften zu beobachten. Im Gegensatz zu universellen Quantencomputern benötigen Quantensimulatoren dabei keine Fehlerkorrektur. Es ist daher zu erwarten, dass sie bereits viel früher als universelle Quantencomputer ihr volles Potential entfalten können.

Besonders relevante Erkenntnisse erwartet man sich von Systemen, in denen Teilchen über größere Distanzen miteinander wechselwirken. Dadurch können neue Materiezustände entstehen und quantenmechanische Verschränkung kann sich besonders effizient ausbreiten. Dies lässt sich in bisher existierenden Quantensimulatoren nur sehr schwer untersuchen. Im Rahmen dieses Projektes soll daher ein neuartiger Quantensimulator entwickelt werden, der auf magnetischen Atomen basiert. Diese magnetischen Atome zeichnen sich durch langreichweitige Wechselwirkungen aus. Durch das Einfangen dieser Atome in optischen Gitterstrukturen lassen sich eine Vielzahl neuartiger Quantenphänomene, sowie deren dynamisches Verhalten erstmals untersuchen.

Voraussetzung für die Realisierung eines solchen Quantensimulators sind mehrere entscheidende technologische Neuerungen, die im Rahmen des Projekts entwickelt werden sollen. Mittels sehr feiner optischer Gitter sollen die Wechselwirkungen zwischen den Atomen besonders stark gemacht werden, was eine Voraussetzung für die Realisierung der gesuchten Quantenphänomene ist. Zu deren Beobachtung sollen zudem neue, superauflösende Mikroskopietechniken entwickelt werden. Das Projekt zeichnet sich dabei besonders durch die enge Zusammenarbeit führender theoretisch und experimentell arbeitender Gruppen aus. Zusammengenommen werden magnetische Atome damit als neue Plattform für Quantensimulationen etabliert.

Das internationale Verbundvorhaben adressiert damit die Anforderung des QuantERA Programms interdisziplinärer Forschung mit hohem Potential die Quantentechnologien in Europa weiter zu entwickeln, um diese somit zu einer weltweiten Schlüsselposition führen zu können.