Wir arbeiten an der Schnittstelle von Quantenmechanik, Festkörperphysik und Informationstheorie. Uns interessiert, wie sich mikroskopische Eigenschaften von Quantenmaterialien, wie Kohärenz, Korrelationen und Dissipation, in informationstheoretische Größen übersetzen lassen und wie man sie gezielt nutzbar macht.

Informationsverarbeitung mit dissipativen Quantensystemen. Ein Schwerpunkt unserer Gruppe ist das Quanten-Reservoir-Computing (siehe Animation): Ein Netzwerk gekoppelter Qubits verarbeitet zeitabhängige Eingangssignale, trainiert wird nur die lineare Superposition quantenmechanischer Erwartungswerte, die durch Messungen an einzelnen Qubits gewonnen werden. Dissipation ist dabei nicht nur Störung, sondern Werkzeug – ohne Vergessen kein Lernen. Wir zeigen, dass die Leistungsfähigkeit solcher Reservoirs auf einer Balance zwischen Gedächtnis und nichtlinearer Antwort beruht. Dieses Thema bettet sich ein in den weiteren Kontext des quantenmaschinellen Lernens. Hier stehen parametrisierte Quantenschaltkreise im Fokus, die auf echten Quantencomputern ausgewertet werden.

Exzitonik und Vielteilcheneffekte in 2D-Halbleitern. Atomar dünne Halbleiter wie die Übergangsmetall-Dichalkogenide (TMDs) sind ideale Modellsysteme, um Coulomb-Wechselwirkungseffekte bei Raumtemperatur zu verstehen und nutzbar zu machen, denn Exzitonen und höhere Ladungsträgerkomplexe sind hier selbst bei Raumtemperatur stabil. Mit Vielteilchenmethoden beschreiben wir Exzitonbildung, Ladungsträgerstreuung, Bandlückenrenormierung und Photolumineszenz und untersuchen, wie sich diese Eigenschaften über die dielektrische Umgebung gezielt einstellen lassen. Einen zukünftigen Schwerpunkt bildet das Verhalten von Exzitonen an atomar dünnen Grenzflächen: In van-der-Waals-Heterostrukturen bilden sich Ladungstransfer-Exzitonen, deren optische und Transporteigenschaften zum Teil noch unerforscht sind.  In Moiréstrukturen von mehrlagigen TMDs studieren wir Bose-Hubbard-Physik und Quantenphasenübergänge. Koppeln Exzitonen stark an Licht in optischen Resonatoren, entstehen Exziton-Polaritonen, deren Eigenschaften sich über die Kontrolle des Lichtfelds einstellen lassen. Zunehmend interessieren uns zudem 2D-Magnete wie CrSBr, in denen magnetische Ordnung und Exzitonen eng miteinander verknüpft sind.

Quantenmaterialien für die Quantenkommunikation. Quantenrepeater sollen Verschränkung über große Distanzen verteilen und dabei die fundamentale Ratengrenze direkter Glasfaserverbindungen übertreffen. Dafür betrachten wir insbesondere Quantenpunkt-Moleküle als Knoten und Quellen verschränkter Photonen. Wir simulieren die einzelnen Schritte von Repeater-Protokollen mit quantenmechanischen Methoden. So lässt sich bewerten, welche Materialparameter und Protokollvarianten den größten Gewinn versprechen und möglicherweise zu Bestandteilen zukünftiger Quantenhardware werden könnten.

Kohärenz und Verschränkung. Schließlich fragen wir, wie Kohärenz, kollektive Effekte und Verschränkung in vielteiligen Systemen wie Quantenlichtquellen und Nanolasern entstehen und wie man sie quantifiziert, beispielsweise über Verschränkungszeugen aus elektronischen Paarkorrelationen. Wir behandeln diese Größen dabei als Ressourcen im Sinne der Quanteninformationstheorie.

Quanten-Sprachverarbeitung (QNLP). Wir übertragen Konzepte großer Sprachmodelle auf Quantenschaltkreise. Mit der in unserer Gruppe entwickelten quantenkontextsensitiven Einbettung (QCSE) entstehen Wortrepräsentationen, die sich dynamisch mit dem Kontext ändern. Darauf aufbauend entwickeln wir einen Quanten-Encoder-Decoder-Transformer, dessen Selbst- und Kreuzaufmerksamkeit über Zustandsüberlapps realisiert wird und der Token, Texte und weitere Datentypen erzeugen kann.