Probing Correlated Quantum Many-Body Systems at the Single-Particle Level

چه مقدار دانش می توانیم در مورد یک سیستم فیزیکی به دست آوریم و تا چه حد می توانیم آن را کنترل کنیم؟ در سیستم‌های نوری کوانتومی، مانند تله‌های یونی یا اتم‌های خنثی در حفره‌ها، اکنون می‌توان ذرات منفرد و همبستگی‌های آنها را به گونه‌ای بررسی کرد که اساساً فقط توسط قوانین مکانیک کوانتومی محدود شده است. در مقابل، سیستم‌های چند جسمی کوانتومی به دلیل تعداد بسیار زیاد پارامترهای میکروسکوپی و مقیاس‌های زمانی کوچک و کوتاه آن‌ها چالش‌های کاملاً جدیدی ایجاد می‌کنند.
این پایان‌نامه رویکرد جدیدی را برای کاوش سیستم‌های چند جسمی کوانتومی در سطح توصیف می‌کند. ذرات منفرد: با استفاده از تصویربرداری با وضوح بالا و با تفکیک تک ذره و دستکاری اتم‌های همبسته قوی، اتم‌های منفرد را می‌توان به دلیل طول و مقیاس زمانی زیاد و کنترل دقیق درجات آزادی داخلی شناسایی و دستکاری کرد. چنین تکنیک‌هایی پایه‌هایی برای اکتشاف آزمایشی پدیده‌های جدید کوانتومی چند جسمی و کاربردهای آن‌ها، مانند شبیه‌سازی کوانتومی و اطلاعات کوانتومی، از طریق طراحی سیستم‌ها در مقیاس میکروسکوپی و اندازه‌گیری موارد قابل مشاهده قبلی غیرقابل دسترس است.

How much knowledge can we gain about a physical system and to what degree can we control it? In quantum optical systems, such as ion traps or neutral atoms in cavities, single particles and their correlations can now be probed in a way that is fundamentally limited only by the laws of quantum mechanics. In contrast, quantum many-body systems pose entirely new challenges due to the enormous number of microscopic parameters and their small length- and short time-scales.
This thesis describes a new approach to probing quantum many-body systems at the level of individual particles: Using high-resolution, single-particle-resolved imaging and manipulation of strongly correlated atoms, single atoms can be detected and manipulated due to the large length and time-scales and the precise control of internal degrees of freedom. Such techniques lay stepping stones for the experimental exploration of new quantum many-body phenomena and applications thereof, such as quantum simulation and quantum information, through the design of systems at the microscopic scale and the measurement of previously inaccessible observables.