Rydberg-Atome eignen sich in idealer Weise stark korrelierte Quantensysteme zu untersuchen und sind eine vielversprechende Plattform für die Quanteninformationsverarbeitung. Insbesondere Rydberg-Atome in optischen Gittern haben ein großes Potenzial um Quanten-Vielteilchensysteme zu simulieren. Sie bieten neue, aussichtsreiche Eigenschaften wie flexible, isotrope oder anisotrope, langreichweitige Wechselwirkungspotentiale; die Möglichkeit effektive Wechselwirkungspotentiale mit Laserparametern zu gestalten; schnelle und präzise Steuerung des simulierten Hamiltonoperators und einstellbare und kontrollierbare dissipative Effekte.
Der erste Teil der Dissertation untersucht Mischungen von Rydberg Atomen und polaren Molekülen als offene Quantensysteme. Insbesondere pra sentieren wir eine Möglichkeit, dreidimensionale Wechselwirkungspotentiale zwischen Rydberg Atomen und polaren Molekülen zu konstruieren, mit dem Ziel, generische polare Moleku le direkt zu kühlen. Die Atome dienen als (Niedertemperatur-) Reservoir sowohl für elastische wie auch für inelastische Stöße mit bemerkenswerten und potenziell nu tzlichen Eigenschaften: stark abstoßende langreichweitige Potentiale schützen vor ungewollten in- elastische Kollisionen auf kurze Entfernung, und sehr große elastische Streuquerschnitte fu hren zu schneller Thermalisierung. Darüber hinaus konzipieren wir eine kontrollierte dissipative (inelastisch) Kollision, bei der ein spontan emittiertes Photon die (kinetische) Energie der Kollisionspartner a hnlich wie bei einem ‘Sisyphus-Effekt abtransportiert, wodurch eine erhebliche Menge an Energie in einer einzigen Kollision entfernt werden kann. Zusätzlich untersuchen wir die Langzeitstabilität eines Rydberg Gases, wenn Dekohärenzprozesse, wie spontane Emission und Schwarzkörperstrahlung nicht vernachlässigt werden können und zu starken mechanischen Effekten führen. Im Speziellen un- tersuchen wir das Zusammenspiel von Laser-Kühlung und Heizdynamik durch Dekoha renz mit Hilfe von Molekulardynamik-Simulationen.
Ein zweites Thema dieser Arbeit bezieht sich auf die Implementierung von Quantensimulatoren fu r verschiedene Quanten-Spin-Modelle mit Rydberg-Atomen und Ionen im speziellen frustrierter Magnetismus. Wir präsentieren einen Vorschlag zur Implementierung von Quanten-Spin-Eis ein paradigmatisches Beispiel ist, wie die Physik der frustrierten Magnete mit Eichtheorien zusammenhängt. Das Ziel ist es, mit kalten Rydbergatomen Wechselwirkungen zu entwerfen, die ein vere- infachtes Modell von Quanten-Spin-Eis auf einem zweidimensionalen Schachbrettgitter realisieren. Wir entwickeln dafu r eine Atomphysik Toolbox, die auf den neuesten experimentellen Fortschritten aufbaut, und die starke Winkelabha ngigkeit der van-der-Waals-Wechselwirkungen zwischen hohen Drehimpuls Rydberg-Zuständen mit der Möglichkeit stufenartigen Potenziale zu konstruieren kom- biniert. Dies erlaubt es uns, abelsche Eichtheorien basierend auf verschiedenen Geometrien zu konstruieren, die mit den momentanen Experimenten realisiert werden ko nnen.