Wir demonstrieren ein optisches, nicht-deterministisches CSIGN-Gatter für Quantencomputer. Das CSIGN-Gatter ist in der Lage ursprünglich nicht verschränkte Qubits zu verschränken und repräsentiert daher ein elementares und wichtiges Gatter für universelles quantencomputing. Die Wirkung des Gatters wurde mit Hilfe von Prozesstomographie vollständig charakterisiert und wir finden eine Prozessgüte von 0.84 +/- 0.01.
Wir demonstrieren ein optisches, nicht-deterministisches CSIGN-Gatter für Quantencomputer. Das CSIGN-Gatter ist in der Lage ursprünglich nicht verschränkte Qubits zu verschränken und repräsentiert daher ein elementares und wichtiges Gatter für universelles quantencomputing. Die Wirkung des Gatters wurde mit Hilfe von Prozesstomographie vollständig charakterisiert und wir finden eine Prozessgüte von 0.84 +/- 0.01.
Die Quantenphysik hat unser heutiges Verstandnis der Informationsverarbeitung revolutioniert. Unter Ausnutzung von Quanteneffekten ermoglichen Quantencomputer deutlich schnellere, fur klassische Computern unerreichbare Rechengeschwindigkeiten. Diese Arbeit prasentiert eine Reihe von Experimenten auf dem Gebiet photonischer Quantencomputer, die einerseits technische Fortschritte in der Entwicklung eines skalierbaren Quantencomputers zeigen und andererseits neue, fundamentale Konzepte im Bereich der Quanteninformationsverarbeitung demonstrieren. Alle vorgestellten Experimente beruhen auf der Verwendung von Techniken der linearen Optik und der Anwendung dieser auf durch spontane parametrische Fluoreszenz erzeugte Multi-Photonen Zustande.
Das erste in dieser Arbeit prasentierte Experiment realisiert die angekundigte Erzeugung polarisationsverschrankter Photonenpaare. Bisher war die praktische Einsetzbarkeit von optischen Quantencomputerexperimenten aufgrund der probabilistischen Erzeugungsweise verschrankter Photonenpaare stark limitiert. Das hier vorgestellte Experiment ermoglicht den Nachweis eines verschrankten Zustandes ohne diesen zu messen und uberwindet damit diese begrenzte Anwendbarkeit photonischer Systeme in der Quanteninformationsverarbeitung. Diese angekundigte Erzeugung von verschrankten Zustanden ist daher ein erster Schritt zu auf linearer Optik basierenden Quantennetzwerken und zu skalierbaren photonischen Quantencomputern.
In einem zweiten Experiment wurde das neue Konzept eines blinden Quantencomputers implementiert. Neben den auf Quanteneffekten beruhenden schnelleren Rechnungen, ermoglichen Quantencomputer einen weiteren wesentlichen Vorteil gegenuber klassischen Computern: Sie ermoglichen absolut sichere Rechnungen. Dabei ist es moglich, dass ein Quantencomputer Rechnungen durchfuhrt, aber selbst nicht herausfinden kann, welche es sind. Mit diesem Konzept kann ein nahezu klassischer Nutzer eine Rechnung an einen Quantenserver auslagern, ohne dass dieser die Eingabe, die Ausgabe und die Rechnung kennt. Im Zuge dieser Arbeit wurde die erste experimentelle Umsetzung eines blinden Quantencomputers basierend polarisationsverschrankten Photonen realisiert und blinde Quantenrechnungen, darunter zahlreiche 1- und 2-Qubit Gatter sowie Quantenalgorithmen, demonstriert. Diese Demonstration eines blinden Quantencomputers zeigt, dass unter Ausnutzung von Quanteneffekten absolut sicheres Cloud Computing moglich ist. Aufgrund der naheliegenden Annahme, dass Quantencomputer aufgrund ihrer technischen Komplexitat zunachst nur in wenigen spezialisierten Rechenzentren zur Verfugung stehen konnten und Nutzer von auserhalb mit diesen interagieren, ist dieses Experiment daher ein wichtiger Beitrag fur praktische Anwendungen.
In einem weiteren Experiment wurde dieses Konzept des blinden Quantencomputers auf Fragestellungen im Gebiet der Komplexitatstheorie und der Verifikation angewendet. Dazu wurde eine neue Theorie entwickelt und experimentell demonstriert, mit derer ein nahezu klassischer Nutzer testen kann, ob ein Computer Quantenressourcen hat. Mittels eines blinden Bell Tests kann der Nutzer dabei verifizieren, ob der Quantencomputer Verschrankungsoperationen durchfuhren kann. Diese elementare Methode ist ein erster Schritt zur Verifikation von Quantencomputern und zur Beantwortung der Frage, ob ein klassischer Nutzer Quantenrechnungen uberprufen kann, ohne diese selbst durchfuhren zu konnen.
In den vergangenen Jahren hat das relative neue Feld der Quanteninformationsverarbeitung (QIP) das Interesse vieler Wissenschafter geweckt, da es schnellere Rechenleistung von Computern, absolute sichere Kommunikation sowie ein Potential zum Simulieren von komplexen quantenmechanischen Systemen verspricht. Die Essenz dieser neuen Quanteninformationstechnologie sind zwei Grundkonzepte der Quantenmechanik, nämlich die der Superposition und der Verschränkung. Diese Dissertation enthält die Resultate von vier verschiedenen Experimenten die alle die Demonstration eines neuen Quantencomputer-Models mit linearer Optik, des sogenannten "Einweg-Quantencomputers", zum Ziel hatten. Zu diesem Zweck wurde ein multiphotonen-verschränkter Zustand mit Hilfe des Prozesses der spontanen parametrischen Down-Konversion in einem interferometrischen Setup erzeugt. Dieser verschränkte Zustand agiert als eine Art Ressource, die für Demonstrationen von neuen Quantenalgorithmen und anderen relevanten experimentellen Techniken genutzt wurde. In dieser Dissertation wird über neue Fortschritte in der Theorie und im Experiment berichtet, unter anderem wurde zum ersten Mal eine schnelle, aktive Vorwärtskopplung implementiert, die eine Realisation eines deterministischen Quantencomputer mit einer noch nicht dagewesenen Geschwindigkeit erlaubt. Weiters wurde der sogenannte Deutsch-Algorithmus mit unserem Quantencomputer implementiert. Der Quantenalgorithmus erlaubt es mit nur einer Evaluation zu erkennen, ob eine mathematische Funktion konstant oder balanciert ist, während ein klassischer Algorithmus mindestens 2N−1+1 Evaluationen benötigt. In einem anderen Experiment wurde ein Quantenspiel, das sogenannte Gefangenen-Dilemma, realisiert. Ein solches Spiel ist im Prinzip die Ausführung eines Quantenalgorithmus der aus einer bestimmten Folge aus Ein- und Zwei-qubit Quantengattern aufgebaut ist. Dieses Spiel erlaubt den individuellen Spielern ihren Strategieraum zu vergrößern, da sie auch Superpositionen von klassischen Strategien wählen und diese miteinander verschränken können. Die Erfolgsfunktion des Spieles wurde für verschiedene Strategiesets evaluiert und es konnte experimentell gezeigt werden, dass das sogenannte "Dilemma", welches in der klassischen Version des Spieles auftritt, in der Quantenwelt beseitigt werden kann. Unglücklicherweise ist Dekohärenz, der ungewollte Verlust von in Quantensystemen kodierter Information durch unkontrollierte Wechselwirkung mit der Umgebung, eines der Haupthindernisse für die Realisierung eines Quantencomputers im großen Rahmen. Ein möglicher Lösungsansatz ist die Rechnung in einem sogenannten dekohärenzfreien Unterraum (DFS) durchzuführen. Auf früheren Arbeiten aufbauend gelang es diese theoretischen Konzepte auf unser Einweg-Quantencomputermodel zu übertragen und zum ersten Mal die dekohärenzfreie Durchführung einer Rechnung zu zeigen, während die Photonen starkem Phasenrauschen ausgesetzt waren. Beachtenswerter Schutz der Information konnte erreich werden, der annähernd die idealen Ergebnisse lieferte. Obwohl die Experimente in dieser Dissertation nur einen "proof-of-principle" Charakter aufweisen haben sie trotzdem große Bedeutung für das Feld der QIP und werden hoffentlich den Weg für weitere und aufregende Erfindungen und experimentellen Demonstrationen in der Zukunft ebnen.
Ein Quantencomputer bietet Anwendungsmöglichkeiten über das Feld der Physik hinaus. In dieser Arbeit beschreiben wir ein Konzept und realisieren fehlende Bestandteile eines universellen Zwei-Qubit-Quantencomputers mit den Möglichkeiten von linearer Optik und Photonen als Qubits. Hierzu vergleichen wir verschiedene existierende Realisierungen von Zwei-Qubit-Gattern und untersuchen die Möglichkeit mehrere davon hintereinander zu setzen. Wir betrachten die experimentellen Schwierigkeiten und argumentieren unsere Wahl. Gleichzeitig suchen wir nach Wegen, wie die benötigten Resourcen auf der Quanten-Seite minimiert werden können, ohne dadurch die Universalität des Ansatzes zu beeinträchtigen. Aufbauend auf der bestehenden Infrastruktur in unserem Labor vervollständigen wir die Liste der notwendigen Bauteile und führen eine umfassende Analyse dieser durch. Insbesondere machen wir eine Prozess-Tomografie eines Controlled-NOT Gatters. Im Anschluss daran eröffnen wir Anwendungen, die sich mit diesem Quantencomputer bewerkstelligen lassen. Im Rahmen von „Quantum Computation“ beschreiben wir eine minimale Implementierung des Algorithmus zur Lösung von linearen Gleichungssystemen. Auf dem Gebiet der Simulation zeigen wir, wie der Quantencomputer dazu verwendet werden kann das Zwei-Qubit Heisenberg XY Model bei Vorhandensein eines transversalen Feldes zu simulieren. Dies ermöglicht es den Grundzustand und die angeregeten Zustände zu präparieren, aber auch Superpositionen dieser und thermische Zustände. Außerdem können die Systemparameter allein durch Ein-Qubit-Gatter kontrolliert werden.
Wir befinden uns an der Schwelle einer Revolution zu einer Quantentechnologie, die nicht nur auf der passiven Nutzung von Quanteneffekten, sondern auf ihrer aktiven Kontrolle beruht.An vorderster Front beinhaltet dies die Realisierung eines Quantencomputers.Das Kodieren von Informationen in Quantenzuständen als "Qubits" erlaubt es, Verschränkung und Quantensuperposition zu nutzen, um Rechnungen durchzuführen, die auf einem klassischen Computer unpraktikabel sind.Eine zentrale Schwierigkeit ist es dabei, Dekohärenz zu vermeiden -der Verlust von Quanteneigenschaften aufgrund ungewollter Wechselwirkung mit der Umgebung.Diese Arbeit thematisiert die Realisierung verschränkender Zwei-Qubit-Gatter, die sowohl gegenüber Dekohärenz als auch klassischen Störeinflüssen robust sind.Sie behandelt dabei drei Aspekte: die Nutzung effizienter numerischer Methoden zur Simulation und optimaler Kontrolle offener und geschlossener Quantensysteme, die Rolle fortgeschrittener Optimierungsfunktionale zur Begünstigung von Robustheit, sowie die Anwendung dieser Techniken auf zwei führende Umsetzungen von Quantencomputern, gefangene Atome und supraleitende Schaltkreise.Nach einem Überblick über die theoretischen und numerischen Grundlagen beginnt der zentrale Teil dieser Arbeit mit der Idee einer Ensembleoptimierung, um Robustheit sowohl gegenüber klassischen Fluktuationen als auch Dekohärenz zu erreichen.Für das Beispiel eines kontrollierten Phasengatters auf gefangenen Rydberg-Atomen wird gezeigt, dass Gatter erreichbar sind, die um mindestens eine Größenordnung robuster sind als der beste bekannte analytische Ansatz.Darüber hinaus bleibt diese Robustheit selbst dann erhalten, wenn die Gatterdauer signifikant gegenüber der kurzmöglichsten Dauer des analytischen Gatters verkürzt wird.Supraleitenden Schaltkreise sind eine besonders vielversprechende Architektur zur Implementierung eines Quantencomputers.Ihre Flexibilität wird durch Optimierungen sowohl für diagonale als auch nicht-diagonale Gatter gezeigt.Um Robustheit gegenüber Dekohärenz zu gewährleisten, ist es essentiell, das Gatter in so kurzer Zeit wie möglich zu realisieren.Das Erreichen dieses Ziels wird durch die Optimierung hin zu einem beliebigen v perfekten Verschränker erleichtert, basierend auf einer geometrischen Theorie der Zwei-Qubit-Gatter.Für das Beispiel supraleitender Qubits wird gezeigt, dass dieser Ansatz zu kürzeren Gatterzeiten, höheren Fidelitäten, sowie schnellerer Konvergenz führt, im Vergleich zur Optimierung hin zu vorausbestimmten, festen Zwei-Qubit-Gattern.Eine Optimierung im Liouville-Raum zur sauberen Berücksichtigung von Dekohärenzeffekten ist mit erheblichen numerischen Herausforderungen verbunden, da die Dimension im Vergleich zum Hilbert-Raum quadratisch wächst.Es kann allerdings gezeigt werden, dass es für ein unitäres Optimierungsziel ausreichend ist, höchstens drei Zustände anstelle der vollen Basis des Liouville-Raums zu propagieren.Sowohl für das Beispiel gefangener Rydberg-Atome also auch für supraleitende Qubits wird die erfolgreiche Optimierung von Quantengattern gezeigt, mit einem numerischen Aufwand, der weit unterhalb der bisher angenommenen Untergrenze liegt.Insgesamt zeigen die Ergebnisse dieser Arbeit zu einem umfassenden Gerüsts zur Optimierung robuster Quantengatter, und bereiten den Weg für die mögliche Realisierung eines Quantencomputers.vi
Fur die Realisierung von echten Quantencomputern und Quantennetzwerken uber die vorhandenen einfachen Laborsystem hinaus, muss die Zahl der Quantenbits (Qubits) und der notwendigen Kontrollsysteme drastisch erhoht werden. Dies wird es Quantencomputern ermoglichen bestimmte wichtige Probleme um ein vielfaches schneller zu losen als ihre klassischen Pendants. In der vorliegenden Arbeit wird es darum gehen experimentelle Grundlagen zu schaffen fur diese Skalierung von einfachen Quantensystemen hin zu photonischen Clusterzustanden.
In der Vergangenheit wurde fur die Verschrankung von Photonen die spontane parametrische Fluoreszenz (SPDC) Technik verwendet. Diese arbeitet mit nicht-linearen Kristallen zur Photonenverschrankung, allerdings ist diese Technik aufgrund ihrer„spontanen“ zufalligen Natur nur schwer zu skalieren. Dieses Problem wird in dieser Arbeit dadurch umgangen, dass ein alternativer Ansatz mit sequenziell arbeitenden Einzelphotonenquelle (SPE) benutzt wird. Hierdurch wird eine Kette aus verschrankten Photonen erzeugt. Diese Arbeit beschreibt die Weiterentwicklung vom SPDC Ansatz zur SPE basierten Photonenerzeugung anhand von mehrerer Experimente.
Zuerst wird eine SPDC-Quelle benutzt, um einen 4-Qubit Clusterzustand zu erzeugen. Dieser wird dann benutzt um eine messungsbasiert- Quantenfehlerkorrektur durchzufuhren. Hierfur wird ein logisches Qbit in einem Clusterszustand gespeichert, dass danach Umgebungseinflussen ausgesetzt wird. Anschliesend wird das logische Qubit aus dem Clusterzustand rekonstruiert. Dies demonstriert die Moglichkeit von messungs-basiertem Quantencomputing in einem realistischen Szenario.
Anschliesend wird in dieser Arbeit ein SPE basiertes Verschrankungsprotokoll vorgestellt. Dieses basiert auf nur einem einzigem optischen Ubergang und einem asymmetrischen Interferometer mit zwei unterschiedlich langen Armen. Der optische Ubergang wird benutzt um ein photonisches Qubit zu erzeugen. Dieser Prozess wird kontinuierlich wiederholt. Das Interferometer dient nun dazu die zeitlichen Unterschiede auszugleichen und zwei hintereinander erzeugte Qubits zu verschranken und in einer polarisieren Basis auszugeben. Quantentomographie wird anschliesend durchgefuhrt, um die Quantennatur des Prozesses aufzuzeigen.
Die Grundbausteine des vorgeschlagenen Protokolls werden in dieser Arbeit vorgestellt und die experimentellen Details diskutiert. Das benutzte Quantensystem ist das Stickstoff-Fehlstellen-Zentrum (NV Centre); dieses wird als Einzelphotonenquelle benutzt. Leider war es nicht moglich mit dem derzeitigen Experiment Photonenzustande mit mehr als zwei Photonen herzustellen. Der Grund hierfur war die hohe experimentelle Verlustrate der Photonen und die starken Phononen-Seitenbander des NVs. In Zukunft werden wir versuchen dieses Problem mithilfe eines NVs zu uberwinden, das den Purcell Effekt nutzt. Dies wird uns eine deutlich hoherer Sammeleffizienz ermoglichen und Verluste minimieren. Dadurch wird es moglich werden Clusterzustande mit hunderten von Photonen aufzubauen. Ein weiterer Schritt ist die Erweiterung auf mehrere SPEs die parallel operieren, was es ermoglichen wurde 3-dimensionale Clusterszustande zu realisieren. Dies sollte zu einer deutlichen Erhohung der Fehlertoleranz von Quantenzustanden beitragen.