Maestro Grant No. DEC-2019/34/A/ST2/00081\ of the Polish National Science Centre (NCN) (2020-2025)

Maestro Grant No. DEC-2019/34/A/ST2/00081
of the Polish National Science Centre (NCN) (2020-2025)

Project title:
"Fundamental problems and implementations of dissipative quantum engineering"
("Fundamentalne problemy i implementacje dyssypatywnej inżynierii kwantowej,")
According to the NCN:  "MAESTRO is a funding opportunity designed for advanced researchers wanting to conduct pioneering research, including interdisciplinary research which is important for the development of science. Projects within this funding scheme should surpass the current state of knowledge, lead to the creation of a new paradigm, or forge pathways to new frontiers in that field."
15 April 2020 - 14 April 2025
Principal investigator:
Prof. Dr. Hab. Adam Miranowicz
Co-investigators:
Prof. Dr. Hab. Andrzej Grudka
Prof. Dr. Hab. Antoni Wójcik
Prof. UAM Dr. Hab. Karol Bartkiewicz
Prof. UAM Dr. Hab. Ravindra Witold Chhajlany
Prof. UAM Dr. Hab. Anna Kowalewska-Kudłaszyk
Prof. UAM Dr. Hab. Paweł Kurzyński
Prof. UAM Dr. Hab. Tomasz Polak
Dr. Grzegorz Chimczak
M.Sc. Shilan Ismael Abo
B.Sc. Ewelina Lange
at Adam Mickiewicz University in Poznań, Poland

last updated on May 04, 2021

Konkursy (Recruitment)

Konkurs 1:  Zatrudnienie magistranta w ramach grantu Maestro.
Status Konkursu: zakończony i rozstrzygnięty.
Komisja Stypendialna powołana przez prof. dr. hab. Ryszarda Naskręckiego - Prorektora kierującego Szkołą Doktorską UAM - dla przeprowadzenia konkursu na stanowisko stypendysta-magistrant w projekcie badawczym MAESTRO 11 (grant NCN nr UMO-2019/34/A/ST2/00081) podczas obrad w dniu 28 lipca 2020 r. jednogłośnie zadecydowała o przyznaniu stypendium pani Ewelinie Lange.
Konkurs 2:  Zatrudnienie doktoranta w ramach grantu Maestro.
Status konkursu: zakończony i nierozstrzygnięty.
Komisja Stypendialna powołana przez prof. dr. hab. Ryszarda Naskręckiego - Prorektora kierującego Szkołą Doktorską UAM - dla przeprowadzenia konkursu na stanowisko stypendysta-doktorant w projekcie badawczym MAESTRO 11 (grant NCN nr UMO-2019/34/A/ST2/00081) podczas obrad w dniu 4 września 2020 r. jednogłośnie zadecydowała o nieprzyznaniu tego stypendium i zamknięciu ogłoszonego konkursu bez wyłonienia stypendysty-doktoranta.
Konkurs 3:  Zatrudnienie doktoranta w ramach grantu Maestro.
Konkurs 4:  Zatrudnienie doktoranta w ramach grantu Maestro.
Status konkursu: zakończony i rozstrzygnięty dniu 30 kwietnia 2021 r.
Komisja Stypendialna powołana przez prof. dr. hab. Przemysława Wojtaszka - Prorektora kierującego Szkołą Doktorską UAM - dla przeprowadzenia konkursu na stanowisko stypendysta-doktorant w projekcie badawczym MAESTRO 11 (grant NCN nr UMO-2019/34/A/ST2/00081) podczas obrad w dniu 29 kwietnia 2021 r. jednogłośnie zadecydowała o przyznaniu stypendium pani mgr Shilan Ismael Abo.
The Scholarship Committee, appointed by prof. dr. hab. Wojtaszek - the Vice-Chancellor in charge of the Doctoral School at UAM - to competition for the position of a scholarship holder-doctoral student in the MAESTRO 11 research project (NCN grant no. UMO-2019/34/A/ST2/00081), during its meeting on April 29th, 2021, unanimously decided to award the scholarship to M.Sc. Shilan Ismael Abo.

Popular abstract

The topic of this project is the theoretical analysis of dissipative quantum engineering, i.e., the generation, coherent control, and detection of quantum states in quantum nonlinear systems allowing for losses and gain.
We focus on both fundamental aspects and implementations of such open quantum system dynamics. The latter is related to quantum technologies of the second generation, which process quantum information using quantum phenomena.
Decay mechanisms, which are present in open systems and, thus, in all real devices, deteriorate the performance of quantum technologies. However, our preliminary results show that it is possible to find cases where the decay is desirable and useful in quantum information processing.
We will try to find new ways to fully compensate for destructive effects of the decay or even to make the decay mechanisms playing a constructive role in quantum state engineering. Our approach is focused on dissipation-controlled quantum engineering of quantum analogs of standard (semiclassical) exceptional points (EPs), i.e., degeneracies of Hamiltonians describing non-Hermitian or PT-symmetric systems including the effect of quantum jumps (instantaneous switching between the energy levels of the system).
EPs have been attracting increasing interest, both theoretical and experimental, in diverse fields of physical research. EPs are considered the basis for novel enhanced sensing apparatus and are relevant to describe dynamical phase transitions and in the characterization of topological phases of matter in open systems. However, it seems that the research community interested in PT-symmetric systems and EPs for quantum sensing ignores the effect of quantum jumps. In addition to including quantum jumps, we propose to define quantum EPs as degeneracies of Liouvillian superoperators. To our knowledge analyzing eigenspectra of Liouvillians in the contexts of the standard EPs, EP sensing, and PT-symmetric systems is a largely unexplored field of research.
Quantum state engineering with dissipative nonlinear systems is a challenging problem also because such systems are often non-integrable. In this case it is useful to develop an algorithmic approach to dynamics in which one focuses not on equations of motion and notions like energy or momentum, but on iterative update rules and operational notions like change or translation. Thus, we will consider a concept of quantum cellular automata to simulate dynamics of dissipative quantum systems.
Due to our collaborations with experimental physicists, who already implemented similar systems in their laboratories, we hope to experimentally verify at least some of our ideas.

Popular abstract in Polish

Tematem projektu jest teoretyczna analiza dyssypacyjnej inżynierii kwantowej: generowania, spójnego sterowania i wykrywania stanów kwantowych w układach nieliniowych, w których uwzględnione są zarówno straty jak i wzmocnienia. Koncentrujemy się zarówno na aspektach fundamentalnych, jak i na przykładach praktycznych zastosowań takich układów w technologiach kwantowych drugiej generacji. Technologie te wykorzystują zjawiska kwantowe do przetwarzania informacji kwantowej. Tłumienie, które jest obecne w układach otwartych, a tym samym we wszystkich rzeczywistych urządzeniach, zazwyczaj pogarsza wydajność technologii kwantowych. W naszych wstępnych badaniach znaleźliśmy jednak przypadki, w których tłumienie jest pożądane i przydatne w przetwarzaniu informacji kwantowej.
W ramach projektu postaramy się znaleźć nowe sposoby pełnego skompensowania destrukcyjnych skutków tłumienia, a nawet sprawić, by odgrywało ono konstruktywna role w inżynierii stanu kwantowego. Nasze podejście skupia się na kontrolowanej dyssypacji w inżynierii kwantowych odpowiedników standardowych punktów wyjątkowych z uwzględnieniem skoków kwantowych.
Punkty wyjątkowe cieszą się coraz większym teoretycznym i eksperymentalnym zainteresowaniem w różnych dziedzinach badań fizycznych. Punkty wyjątkowe uważane są za podstawę dla nowej, ulepszonej aparatury detekcyjnej. Są one istotne w opisie dynamicznych przejść fazowych i charakterystyce topologicznych faz materii w układach otwartych. Naukowcy zaangażowani w badania nad układami PT-symetrycznymi zdają się jednak w zdecydowanej większości ignorować wpływ skoków kwantowych. Oprócz uwzględnienia skoków kwantowych, proponujemy zdefiniować kwantowe punkty wyjątkowe jako degeneracje superoperatorów Liouville’a. Zgodnie z naszą wiedzą, analizowanie widma liouvillianów w kontekście standardowych punktów wyjątkowych i ich zastosowań w czujnikach i w kwantowych układach PT-symetrycznych pozostaje zagadnieniem w dużej mierze niezbadanym.
Inżynieria stanów kwantowych w tłumionych układach nieliniowych stanowi wyzwanie również dlatego, że są one często niecałkowalne. Z tego powodu użyteczne jest opracowanie algorytmicznego podejścia do dynamiki. W takim ujęciu nie skupiamy się na równaniach ruchu i pojęciach takich jak energia czy pęd, ale na iteratywnych regułach aktualizacji stanu układu oraz pojęciach operacyjnych takich jak zmiana stanu czy przesunięcie. W związku z tym rozważymy koncepcje kwantowych automatów komórkowych do symulacji dynamiki tłumionych układów kwantowych.
Dzięki współpracy z eksperymentatorami, którzy stosowali już podobne układy w swoich laboratoriach, mamy nadzieje eksperymentalnie zweryfikować przynajmniej część naszych pomysłów.

Key concepts of quantum dissipative engineering (QDE)

Grant preprints and publications 

Research tasks

#1. Quantum engineering with loss, gain, and nonlinearity.
#1.A: Photon blockade.
#1.B: Active PT-symmetric systems (with both losses and gain), including the Scully-Lamb laser model.
#1.C: Passive PT-symmetric systems (with two dissipative channels without incoherent gain).
#1.D: Quantum-optical implementations and simulations of PT-symmetric systems. Measurement-based projective synthesis for linear-optical simulations of passive PT-symmetric systems.
#2. Exceptional points (EPs).
#2.A: Quantum EPs.
#2.B: Enhanced quantum sensing at semiclassical and quantum EPs. PT-symmetry breaking and unidirectional propagation in the proximity of semiclassical and quantum EPs.
#3: Algorithmic description of quantum engineering with losses, gain, and nonlinearities.
#3.A: Cellular automata. Dissipative dynamics for generation of stable multipartite entangled states.
#3.B: Dissipative quantum walks.
#4: Enhanced interactions and quantum noise reduction via quantum dissipative engineering.
Quantum engineering for increasing optical nonlinearities and matter-light interactions in dissipative quantum systems.
#4.A: Enhanced interactions via quantum dissipative engineering.
Quantum dissipative engineering and quantum simulations of amplified matter-light interactions, amplified optical nonlinearities, of quantum superpositions of massive objects with amplified excitations. Ultra-strong coupling (USC) of light and matter.
#4.B: Quantum reservoir engineering.
Quantum state and interaction engineering via quantum nonlinear reservoirs (i.e., beyond thermal baths).
#4.C: Quantum noise reduction via quantum dissipative engineering.
This task includes the study of generation and control of quadrature squeezing, photon antibunching, and sub-Poissonian photon number statistics.



File translated from TEX by TTHgold, version 4.00.
On 04 May 2021, 09:56.