Recent years have seen the advent of prototypical quantum simulators: synthetic quantum systems which can be used to investigate quantum many-body physics in controlled conditions. Their tremendous potential is however constrained by our capability to accurately control them and to understand their intrinsically non-equilibrium behaviour, which poses formidable challenges. I will present ideas we are pursuing in this area. I will start by discussing an efficient approach to use state-of-the art simulators to realize interacting topological systems, whose excitations behave like exotic quantum particles (known as anyons). I will then discuss how low-energy states of such systems can be prepared and stabilized with the help of controlled dissipative effects. Finally, I will propose a novel non-equilibrium phenomenon, where temporal modulations of an anyon system lead to the emergence of more complex anyon classes, of interest for topological quantum computing.

The emission of gravitational waves by black hole (and neutron star) binary encounters, and their by-now regular detection by LIGO-Virgo-KAGRA, offers a totally new method of probing Einstein’s theory of General Relativity. With LISA also now adopted by the European Space Agency, there is a pressing need to develop improved models of these black hole inspirals, and the gravitational waves that they emit. Together with my collaborators at Humboldt University, I have developed a novel formalism to aid this process: Worldline Quantum Field Theory (WQFT). WQFT imports powerful tools from collider physics, and has already made impressive predictions at high orders in perturbation theory. Using WQFT, and also working at the Max Planck Institute for Gravitational Physics, I am using WQFT to develop a future generation of gravitational waveform models.

Die Drehimpulsfreiheitsgrade des Elektrons, also sein Spin (S) sowie sein orbitaler Drehimpuls (L), sind vielversprechende Informationsträger für zukünftige Anwendungen im Bereich der Datenverarbeitung. Zu diesem Zweck ist ein tiefgehendes Verständnis der Interaktionen von S und L auf ihren natürlichen Nanometerlängen- und Femtosekundenzeitskalen wichtig. In meinem Vortrag werde ich auf zwei spezielle Beispiele in dieser Hinsicht eingehen. Zum einen werde ich erläutern, wie magnetische Momente einzelner Atome, die durch S und L hervorgerufen werden, auf subatomaren Längenskalen sichtbar gemacht und manipuliert werden können. Zum anderen werde ich darauf eingehen, wie S und L Ströme mit Dynamiken im Femtosekundenbereich mit Hilfe von Ultrakurzzeitlasern getrieben werden können und wie zeitaufgelöste Experimente zu deren Unterscheidung genutzt werden können.