Raziskovalna področja

Kvantni materiali vodijo do novih kvantnih pojavov in novih, nepričakovanih načinov uporabe. Še posebej zanimiva so nenavadna magnetna stanja, pri katerih igrajo kvantne fluktuacije odločilno vlogo v destabilizaciji konvencionalnega magnetnega urejanja. To vodi v zapletena kvantnoneurejena stanja, za katera so značilne zapletene frakcijske vzbuditve, pojavna umeritvena polja in stabilne topologije, kar zagotavlja obetavno platformo za kvantne tehnologije nove generacije. Raziskovalne smeri na IJS so naslednje:

• karakterizacije neobičajnih močno kvantno prepletenih magnetnih stanj, kot so kvantne spinske tekočine brez magnetnega urejanja dolgega dosega;
• proučevanje topološko zaščitenih frakcijskih vzbuditev iz zapletenih osnovnih magnetnih stanj;
• raziskave zapletenih magnetnih urejanj in z njimi povezanih neobičajnih magnetnih vzbuditev;
• zaznavanje šibkih magnetnih polj na površinah nekonvencionalnih magnetov z novo razvito optično magnetometrijo prek NV centrov v diamantih itd.

Mentorice in mentorji:

• prof. Andrej Zorko
• prof. Denis Arčon
• prof. Martin Klanjšek
• prof. Matej Pregelj

Kvantni nanomateriali imajo zaradi svojih nanometrskih dimenzij edinstvene lastnosti, in sicer zlasti zaradi kvantnomehanskih učinkov. Fizikalne lastnosti teh materialov so v veliki meri odvisne od njihove velikosti, oblike in sinteznih pogojev, kar omogoča prilagajanje njihovih izjemnih magnetnih, električnih, optičnih, mehanskih in katalitičnih lastnosti. Njihove edinstvene lastnosti ponujajo velik uporabni potencial na različnih področjih od kvantnega računalništva, visokogostotnih pomnilnikov informacij in učinkovite pretvorbe energije do katalize, zaznavanja kemikalij, ciljane dostave zdravil in biološkega slikanja itd. Raziskovalne smeri na IJS so naslednje:

• proučevanje kvantnih pik kot zelo majhnih skupkov materiala, kjer modifikacije omogočajo prilagoditev njihovih lastnosti za različne uporabe s pomočjo površinske funkcionalizacije, plazemske obdelave ter ionskega in gama obsevanja;
• raziskave elektronskih in spinskih struktur v magnetnih nanodelcih, kjer pogoji sinteze in obdelave vodijo do preoblikovanja površine in adsorpcije specifičnih vrst iz okolice;
• proučevanje kvantnih molekularnih magnetov, v katerih je mogoče kvantno koherenco ohranjati dlje časa itd.

Mentorice in mentorji:

• prof. Gašper Tavčar
• prof. Darja Lisjak
• prof. Janez Kopač

Za napredne kvantne materiale so značilni negenerični kvantni učinki, ki omogočajo izboljšane elektronske, optične in magnetne lastnosti. Pri feroelektrikih je na primer mogoče kontrolirano nadzirati kvantno kritičnost, ki izhaja izključno iz kristalne mreže. Raziskovalne smeri na IJS so naslednje:

• proučevanje feroelektričnih ali antiferoelektričnih materialov z mobilnimi nosilci naboja, pri katerih se pričakuje, da bodo kvantne paraelektrične fluktuacije vodile do novih učinkovitih interakcij med elektroni in s tem več možnih zanimivih elektronskih stanj, kot je na primer superprevodnost;
• proučevanje interakcije med kvanti plazemske svetlobe in naprednimi materiali v luči bolj zelene prihodnosti;
• raziskovanje kvantnih materialov v ekstremnih pogojih, npr. pri visokih tlakih;
• rast monokristalov novih kvantnih materialov, ki omogoča poglobljen vpogled v njihove fizikalne lastnosti itd.

Mentorice in mentorji:

• prof. Zdravko Kutnjak
• dr. Anna Razumnaya
• prof. Rok Zaplotnik
• prof. Alenka Vesel
• prof. Matic Lozinšek
• prof. Mirela Dragomir

Hibridne kvantne naprave in heterogene strukture omogočajo kombinacijo prednosti večkomponentnih materialov in s tem možnosti novih načinov uporabe, pri čemer zunanji dražljaji pogosto privedejo do neravnovesnih skritih stanj in novih pojavov. Raziskovalne smeri na IJS so naslednje:

• razvoj ustreznih teoretičnih okvirov za modeliranje hibridnih kvantnih sistemov in razvoj naprednih numeričnih orodij za pristop k njim;
• razvoj naprednih numeričnih opisov, ki temeljijo na neravnovesni teoriji polja, za namen proučevanja heterostruktur, pri katerih je mogoče z ustrezno nastavljenim zunanjim krmiljenjem doseči kondenzacijo ekscitonskih parov;
• proučevanje novih konceptov hibridnih naprav, ki naj bi izpolnile zahteve prihodnjega krioračunanja, in sicer še zlasti glede razvoja naprav z učinkovitim in hitrim pomnilnikom;
• raziskovanje prikrite metastabilnosti kvantnih materialov, ki se vse bolj kaže kot močno orodje za nove načine uporabe ter ponuja veliko prednosti za tehnologijo itd.

Mentorice in mentorji:

• prof. Rok Žitko
• prof. Denis Golež
• prof. Dragan Mihailović
• dr. Anže Mraz
• prof. Igor Vaskivskyi
• prof. Tomaž Mertelj

Kvantne naprave s hladnimi atomi se pojavljajo kot inovativni senzorji, ki obetajo znatno izboljšanje občutljivosti in natančnosti. Umetni nizi hladnih atomov lahko služijo kot registri kubitov za uporabo v kvantnih simulacijah, kvantnem računalništvu in kvantni optimizaciji. Te naprave imajo daljnosežne posledice za kibernetsko varnost, navigacijo, zaznavanje na principu inercije, medicinsko diagnostiko, geologijo in arheologijo. Raziskovalne smeri na IJS so naslednje:

• raziskovanje uporabe hladnih atomov v poljih optičnih pincet kot hitre in učinkovite metode za ustvarjanje atomskih polj brez napak in z naključno geometrijo;
• proučevanje naprav na osnovi hladnih atomov za namen kvantnih pomnilnikov, generatorjev naključnih števil, interferometrov, žiroskopov, magnetometrov, gravimetrov;
• razvoj sistema za kvantno optomehaniko z optično ujetimi dielektričnimi delci itd.

Mentorice in mentorji:

• dr. Peter Jeglič
• prof. Rainer Kaltenbaek

Kvantni učinki topoloških napak na nanostrukturiranih površinah lahko bistveno vplivajo na interakcije med celicami in površino ter celico in celico, rezultat česar bi lahko bili veliko učinkovitejši nanometrski medicinski pripomočki in razvoj zelo občutljivih biosenzorjev. Poleg tega bi bilo mogoče strukturne spremembe na osnovi napak uporabiti za optimizacijo učinkovitosti določenega materiala za napredne tehnološke aplikacije. Raziskovalne smeri na IJS so naslednje:

• proučevanje kvantnih učinkov pri absorpciji vakuumsko-ultravijoličnih fotonov v organskih snoveh s ciljem razumevanja pojava novih patogenih mikroorganizmov;
• proučevanje topoloških napak, ki so ključne pri opredeljevanju mehanike in dinamike snovi, še zlasti v bioloških sistemih;
• raziskovanje energijskih stanj strukturnih napak na kvantni ravni;
• proučevanje funkcionalnih metamaterialov z visoko površinskoplazmonsko aktivnostjo, ki so revolucionarno spremenili zaznavanje genetskega materiala na nanometrski skali itd.

Mentorice in mentorji:

• prof. Gregor Primc
• prof. Miran Mozetič
• prof. Ita Junkar
• dr. Metka Benčina
• prof. Samo Kralj
• dr. Janez Zavašnik
• dr. Vasyl Shvalya
• prof. Uroš Cvelbar

V svetu se trenutno razvijajo različne platforme kvantnih računalnikov, kot so superprevodni kubiti, umetno ujeti ioni in kubiti v diamantu z dušikovimi vrzelmi (NV), topološki kubiti v sistemih z Majoraninimi fermioni in topološko zaščitene teksture, kubiti na principu jedrske magnetne resonance (NMR), fotonski kubiti itd. Raziskovalne smeri na IJS so naslednje:

• raziskovanje proizvodnje NV-centrov z ionsko implantacijo ¹⁵N za inženiring izoliranih kvantnih centrov v diamantih prek geometrijsko vnaprej določenih nanovzorcev;
• integracija enomolekularnih spinskih kubitov na površinah, ki vodijo do dolgih koherenčnih časov;
• raziskovanje magnetnih skyrmionov s topološkim nabojem s poudarkom na stiku različnih materialov in električnih poljih ali tokovih za preučevanje preklopa med različnimi kvantnimi in posledično logičnimi stanji.

Mentorice in mentorji:

• prof. Primož Pelicon
• prof. Erik Zupanič
• dr. Marion van Midden Mavrič
• prof. Matej Komelj

Razvoj kvantnega računalništva prek več tehnologij in platform je dosegel točko, ko je v prednosti pred klasičnimi računalniki v primeru reševanja posebej izbranega problema, kar imenujemo „kvantna prednost“. Naslednji korak je „praktična kvantna prednost“, pri kateri bodo kvantne naprave reševale praktične probleme, ki jih ni mogoče rešiti s klasičnimi superračunalniki. Številne najbolj obetavne kratkoročne aplikacije kvantnih računalnikov lahko označimo kot kvantno simulacijo – modeliranje kvantnih lastnosti mikroskopskih delcev. To je neposredno relevantno za sodobno znanost o materialih, kvantno kemijo in optimizacijo zdravil, pa tudi za fiziko visokih energij. Raziskovalne smeri na IJS so naslednje:

• izvajanje kvantnih simulacij na obstoječih namenskih analognih kvantnih simulatorjih in digitalnih napravah NISQ;
• proučevanje možne uporabe kvantnih in kvantnim podobnih algoritmov računalniškega modeliranja na področju biofarmacevtike s ciljem napredka pri modeliranju proteinov in mehanizmov njihovega zvijanja;
• izvajanje kvantnega računalništva v teoretičnih študijah hadronov, osnovanih na temeljnih teorijah kvantnega polja močnih in elektrošibkih interakcij, da bi poglobili razumevanje odnosa med delci in antidelci;
• uporaba algoritmov kvantnega računalništva pri eksperimentalnih problemih fizike delcev (npr. obsežne simulacije Monte Carlo);
• razvoj kinetične teorije kvantnega kaosa, ki bi bila uporabna za vsako šibko sklopitev v kvantni teoriji polja itd.

Mentorice in mentorji:

• prof. Saša Prelovšek Komelj
• prof. Luka Leskovec
• prof. Miha Ravnik
• dr. Jaka Vodeb
• prof. Dragan Mihailović
• prof. Viktor Kabanov
• prof. Borut Kerševan
• prof. Sašo Grozdanov

Znanost o kvantnih informacijah zajema kvantno mehaniko, računalništvo, teorijo informacij, kriptografijo itd. Osredotoča se na pridobivanje informacij iz stanj kvantnih sistemov. Kvantno računalništvo te podatke obdeluje – izvaja logične operacije – z uporabo tehnik obdelave kvantnih informacij. Trenutno imajo vodilno vlogo v drugi kvantni revoluciji kvantne naprave srednje velikosti z veliko šuma. Obseg problemov, ki jih te naprave lahko rešujejo, je omejen predvsem z napakami, ki izvirajo iz šumov iz okolice ter intrinzične nepopolnosti procesorjev. Raziskovalne smeri na IJS so naslednje:

• proučevanje naprednih metod strojnega učenja v kontekstu obdelave kvantnih informacij, kot so metode za relacijsko učenje in napovedovanje več ciljev;
• proučevanje uporabe kvantnih nevronskih mrež pri strojnem učenju s poudarkom na uporabi metaučenja za določitev ustreznih arhitektur in vrednosti hiperparametrov za zagotavljanje dobre učinkovitosti učenja;
• razvijanje vrhunskih programskih orodij, ki bi zagotavljala prožnost pri določanju funkcije izgube pri razvijanju učinkovitih nastavkov kvantnih vezij;
• razvoj algoritmov kvantne kriptografije, ki bi zagotavljali neprimerljivo višjo raven varnosti z uporabo kvantnih ključev, ki jih teoretično ni mogoče neopazno prestreči ali dekodirati itd.

Mentorice in mentorji:

• prof. Sašo Džeroski
• prof. Matjaž Gams
• prof. Ljupčo Todorovski
• dr. Samed Bajrić
• prof. Tome Eftimov