Regelung von Quantenzuständen für levitierte Teilchen

Schwerpunkte

Feedback-Kühlen von levitierten Nanopartikeln in deren quantenmechanischen Grundzustand
Erzeugung von nicht-klassischen Bewegungszuständen, z.B. gequetschten Zuständen und nicht-Gaußsche Zustände
Hochperformante Echtzeitregelung mittels FPGAs
Formung des Potentials der optischen Falle
Hochpräzise Messanwendungen auf Basis von Quanteneffekten

Beschreibung

Über das vergangene Jahrzehnt hat die Entwicklung optomechanischer Plattformen derartige Fortschritte erfahren, dass sich in der Manipulation von Nano- und Mikroobjekte inzwischen Quanteneffekte zu manifestieren beginnen. Insbesondere bieten Systeme auf Basis optischer Levitation eine überlegene Isolierung der Nanopartikel von ihrer Umgebung während sie gleichzeitig von der Flexibilität rein optischer Manipulation profitieren. Diese Experimente kombinieren etablierte Methoden aus der Optomechanik mit Strategien aus der Atomphysik, der Materiewelleninterferometrie und der Regelungstheorie, um makroskopische Quantenphysik zu erforschen. Zusammen mit ihrer unübertroffenen Empfindlichkeit haben levitierte Nanopartikel eine Vielzahl von möglichen Anwendungsgebieten, welche von der Erforschung dunkler Materie und Abweichungen zur newtonschen Gravitation bis hin zu kommerziellen Sensoranwendungen reichen.

In diesem Forschungsprojekt wollen wir mithilfe von Methoden der Regelungstheorie echtzeitfähige Algorithmen entwickeln, um bewegte Quantenzustände des schwebenden Teilchens zu erzeugen. Dazu ist die Kühlung des Teilchens (genauer: der Bewegung des Massenschwerpunkts) durch Feedback ein entscheidender erster Schritt, der durch die Kombination von Heisenberg-begrenzten Messungen mit optimalen stochastischen Regelungskonzepten möglich ist. Dies öffnet die Tür zu quantenmechanischen Bewegungszuständen wie beispielsweise gequetschten Zuständen und letztlich nicht-Gaußschen Zuständen.

Ausgewählte Publikationen

V. Mlynář, S. Dago, J. Rieser, M. A. Ciampini, M. Aspelmeyer, N. Kiesel, A. Kugi, and A. Deutschmann-Olek, Feedback stabilization of a nanoparticle at the intensity minimum of an optical double-well potential, Control Engineering Practice, vol. 168, p. 106665, 2026.
[BibTex]

@Article{Mlynar2026,
author = {Mlynář, Vojtěch and Dago, Salambô and Rieser, Jakob and Ciampini, Mario A. and Aspelmeyer, Markus and Kiesel, Nikolai and Kugi, Andreas and Deutschmann-Olek, Andreas},
title = {Feedback stabilization of a nanoparticle at the intensity minimum of an optical double-well potential},
doi = {10.1016/j.conengprac.2025.106665},
issn = {0967-0661},
pages = {106665},
volume = {168},
journal = {Control Engineering Practice},
year = {2026},
}

G. M. de Papigny, F. Gassibe, and V. Padois, F-RRT: An Efficient Algorithm for Semi-Constrained Path Planning Problems, IEEE Robotics and Automation Letters, vol. 11, iss. 3, p. 3318–3325, 2026.
[BibTex]

@Article{Mlynar2026,
author = {de Papigny, Guillaume de Mathelin and Gassibe, Franco and Padois, Vincent},
title = {F-RRT: An Efficient Algorithm for Semi-Constrained Path Planning Problems},
doi = {10.1109/LRA.2026.3656722},
issn = {2377-3774},
number = {3},
pages = {3318--3325},
volume = {11},
journal = {IEEE Robotics and Automation Letters},
year = {2026},
}

K. Winkler, A. V. Zasedatelev, B. A. Stickler, U. Delić, A. Deutschmann-Olek, and M. Aspelmeyer, Steady-state entanglement of interacting masses in free space through optimal feedback control, Physical Review Research, vol. 7, iss. 4, 2025.
[BibTex]

@Article{Winkler2025,
author = {Winkler, K and Zasedatelev, A.V. and Stickler, B.A. and Deli\'c, U. and Deutschmann-Olek, A. and Aspelmeyer, M.},
title = {Steady-state entanglement of interacting masses in free space through optimal feedback control},
doi = {10.1103/hxc8-fxcb},
issn = {2643-1564},
number = {4},
volume = {7},
journal = {Physical Review Research},
publisher = {American Physical Society (APS)},
year = {2025},
}

S. Dago, J. Rieser, M. A. Ciampini, V. Mlynář, A. Kugi, M. Aspelmeyer, A. Deutschmann-Olek, and N. Kiesel, Stabilizing nanoparticles in the intensity minimum: feedback levitation on an inverted potential, , vol. 32, iss. 25, p. 45133, 2024.
[BibTex]

@Article{Dago2024,
author = {Dago, Salambô and Rieser, J. and Ciampini, M. A. and Mlynář, V. and Kugi, A. and Aspelmeyer, M. and Deutschmann-Olek, A. and Kiesel, N.},
journaltitle = {Optics Express},
title = {Stabilizing nanoparticles in the intensity minimum: feedback levitation on an inverted potential},
doi = {10.1364/oe.541267},
issn = {1094-4087},
number = {25},
pages = {45133},
volume = {32},
publisher = {Optica Publishing Group},
year = {2024},
}

L. Magrini, P. Rosenzweig, C. Bach, A. Deutschmann-Olek, S. G. Hofer, S. Hong, N. Kiesel, A. Kugi, and M. Aspelmeyer, Real-time optimal quantum control of mechanical motion at room temperature, Nature, vol. 595, p. 373–377, 2021.
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@Article{magrini2021,
author = {L. Magrini and P. Rosenzweig and C. Bach and A. {Deutschmann-Olek} and S. G. Hofer and S. Hong and N. Kiesel and A. Kugi and M. Aspelmeyer},
title = {Real-time optimal quantum control of mechanical motion at room temperature},
doi = {10.1038/s41586-021-03602-3},
pages = {373--377},
volume = {595},
journal = {Nature},
year = {2021},
}