Optische Informationsverarbeitung durch Quanten-Netzwerke

J. H. Hertz, Katrin Hoffmann, W. Brunner +3 more

Imre Koncsik

Hermann Haken, Hans Christoph Wolf

Tatiana Vovk

Quantencomputing und -simulation versprechen die Lösung von Problemen, die weit über die Möglichkeiten klassischer Computer hinausgehen. Ihre Leistungsfähigkeit beruht auf der Steuerung von Quanten-Vielteilchensystemen auf Plattformen wie gefangenen Ionen, neutralen Atomen und supraleitenden Schaltkreisen. Da alle diese Systeme unvermeidlich durch Geräusche beeinträchtigt werden, ist die Entwicklung neuer, effizienter klassischer Methoden notwendig, um die Leistung von Quantenhardware zu testen, die Fehlerkorrektur zu unterstützen und die Grenze zwischen klassischer und quantenmechanischer Simulierbarkeit zu bestimmen. Diese Dissertation entwickelt neue numerische Methoden für die effiziente Simulation offener Vielteilchen-quantensysteme auf klassischen Computern. Dabei werden fortschrittliche numerische Techniken wie Tensornetzwerke, stochastische Quantentrajektorien, maschinelles Lernen und neuronale Netze eingesetzt. Die vorliegende Arbeit fördert die numerische Untersuchung offener Quanten-Vielteilchensysteme durch die folgenden Beiträge: 1. Einführung einer neuartigen adaptiven Methode für verrauschte Quanten-Vielteilchendynamik. Durch die Nutzung von Tensor-Netzwerk-Darstellungen von Quantentrajektorien und die Wahl von Zerlegungen der Trajektorien, die das Verschränkungswachstum minimieren, reduziert dieser Ansatz den Rechenaufwand erheblich und erweitert die zugänglichen Simulationsregime. 2. Entwicklung eines allgemeinen methodischen Rahmens für adaptive Quantentrajektorien, begleitet von einem systematischen Vergleich mit konventionellen Zerlegungen und anderen etablierten Simulationstechniken, um deren relative Stärken und Schwächen aufzuzeigen. 3. Demonstration eines neuronalen Netzwerk-basierten Ansatzes zur Simulation der Dynamik von Emitterketten, die an eindimensionale Markovische Wellenleiter gekoppelt sind. Diese Methode zeigt großes Potenzial, Fernkorrelationen effizient zu erfassen, und ermöglicht so die Untersuchung dissipativer Effekte in Wellenleitersystemen in experimentell relevanten Regimen. Die in dieser Arbeit vorgestellten Ergebnisse verbessern unsere Fähigkeit, verrauschte Quanten-Vielteilchensysteme auf den klassischen Computern zu modellieren, erweitern die zugänglichen dynamischen Regime und gehen besonders anspruchsvolle Probleme an. Dadurch tragen sie zu einem besseren Verständnis der Grundlagen der Quantenberechnung und -simulation bei.

Florian Hipp

Quanten Kryptographie oder genauer gesagt Quanten-Schluessel Verteilung (Quantum Key Distribution - QKD) ist die erste Anwendung der Quantentheorie die kurz davor steht den Sprung vom Experiment zur industriellen Verwertung zu schaffen. Ermoeglicht wurde diese Erfolgsgeschichte durch zahllose theoretische und experimentelle Arbeiten innerhalb der letzten 30 Jahre. Thema dieser Arbeit sind experimentelle Fortschritte der juengsten Zeit, QKD Protokolle und Attacken auf QKD sowie eine moegliche Integration dieser quantenbasierten Technologie in die 'klassische Welt'. Die groesste Herausforderung bei dieser Zusammenfuehrung ist in drei Bereichen zu finden, naemlich die unzureichende technische Ausgereiftheit der verwendeten Hardware, die das Gebiet des 'quanten Hackens' hervorgebracht hat, QKD ueber lange Distanzen (100km und mehr) und die Integration von QKD in bereits verlegte Backbone und Access Netzwerke. Zwar werden alle drei Gebiete in dieser Arbeit behandelt, neue Erkenntnisse werden zu den beiden letzteren eroertert, da das Ausnutzen von technischen Fehlern in Hardware im Prinzip nicht mehr als ein Wettlauf zwischen Hackern und Hersteller ist, der im Prinzip schon durch hardwareunabhaengige QKD Modelle geloest wurde. Als moeglicher Ansatz zum Ueberbruecken grosser Distanzen mit QKD Technologie bietet sich die satellitenbasierte Kommunikation zwischen entfernten Punkten auf der Erde an. Zu diesem Zweck stellt diese Arbeit zwei Generationen von Lithiumniobat Wellenleitern vor, die auf spontaner parametrischer Downconversion (SPDC) und Quasi Phasen Anpassung (QPS) zur Erzeugung verschraenkter Photonenpaare basiert. Das Ziel ist die Entwicklung einer autonomen, komplett integrierten Quelle polarisationsverschraenkter Photonen im C-Band. Verglichen mit anderen Quellen ist in diesem Fall der Herstellungsprozess des Wellenleiters sowie dessen Integration in fasergebundene Optik bei einem eingeschraenkten Formfaktor (< 0,5m 2) eine zusaetzliche Herausforderung. In einem nicht fasergebundenen Aufbau wurde fuer die erste Generation von Wellenleiter eine 'Visibility' von ueber 91% und eine 'spectrale Brightness' von 10 6 Paare /(s nm W) gemessen. Bei der zweiten Generation von Wellenleitern, komplett fasergebunden, wurde hingegen nur 75% 'Visibility' and 4 ∙10 3 Paare /(s nm W) 'spectrale Brightness' erreicht. Dieser wesentlich schlechtere Wert kommt von hohen Verlusten beim Uebergang von Kristall auf Faser und ruehrt vom Anbringen der Faser auf den Wellenleiter her. Das zweite grosse Thema dieser Arbeit ist die moegliche Integration von QKD in bereits bestehende Netzwerkinfrastruktur und der damit einhergehende Einfluss starker klassischer Datensignale auf die sehr schwachen Quantensignale. Trotz erarbeiteter Konzepte die es erlauben die klassischen Kanaele zu ueberbruecken und den Quantenkanal von diesen zu trennen, muessen Beeintraechtigungen durch nichtlineare Prozesse, ueberwiegend Ramanstreuung, beruecksichtigt werden, gerade wenn alle Kanaele ueber dieselbe Faser laufen, wie es in der sogenannten Single-Feeder Methode ueblich ist. Sensible Raman Messungen bis zur Energie von Einzelphotonen, durchgefuehrt an einem 20 Kanal DWDM Netzwerk, zeigen, dass sogar ueber 200nm weg von den klassischen Daten Kanaelen ca. 10 6 photonen / (s nm) erzeugt werden. Unsere Simulationen und experimentellen Daten ergaben weiterhin, dass ein Quantenkanal durchaus in passive optische Netzwerke integrierbar ist, wenn ausreichend spektraler Abstand sowie passende Wellenlaengen und zeitliche Filter verwendet werden, die es erlauben die einzelnen Photonen vom Hintergrund zu trennen. Diese Resultate wurden mit einer Quelle polarisationsverschraenkter Photonen gemessen, bestehend aus einem ppKTP Kristall in Sagnac Konfiguration, der Photonenpaare bei 589nm und im O-Band bei 1310nm erzeugt. Damit ist es gelungen eine full-duplex Punkt zu Punkt Verbindung ueber 13.2km aufzubauen bei der sowohl klassische Signale als auch Quantensignale ueber dieselbe Faser geschickt werden. Die Erkenntnisse die in dieser Arbeit praesentiert werden zeigen die Moeglichkeiten aber auch die Grenzen von QKD sowohl fuer die Uebertragung ueber weite Strecken durch satellitenbasierte Systeme als auch fuer die Integration in optische Netzwerke. Diese Arbeit wird mithelfen Standards fuer moegliche zukuenftige Entwicklungen im Bereich QKD zu setzen. Abgesehen von dieser Arbeit wurden die Ergebnisse im Journal Optics Express (2015), den SPIE Proceedings (2016) und der CLEO Europe Konferenz (2015) sowie anderen kleineren Konferenzen vorgestellt.

Hermann Haken, Hans Christoph Wolf