Qubits, Gatter und Register Grundlagen des Quantencomputings mit quantenoptischen Systemen

J. I. Cirac, P. Zoller

Robert Prevedel

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.

W. Hänsel

40Ca-Ionen in Ionenfallen bieten als Quantenbits (Qubits) eine gute Basis für Quantencomputer. Sie können Zahlen binär kodieren. Zudem erlauben sie alle überlagerten Quantenzustände, die ein Quantencomputer braucht. Mit nur zwei Grundoperationen lassen sich alle Rechenoperationen ausführen. Eine dieser Operationen ist die Rotation eines Qubits, sie entspricht dem klassischen Inverter von 0 nach 1. Die andere Operation, das CNOT-Gatter, verknüpft zwei Qubits: Analog zur klassischen XOR-Operation schaltet es ein Qubit um, wenn das zweite den Wert 1 hat. Mit diesen Grundoperationen konnte kürzlich die Teleportation von Quanteninformation in Systemen mit drei Ionen demonstriert werden. 2005 gelang es, acht Ionen zu einem Quantenbyte zu verschränken. Im Prinzip sind damit alle Grundbausteine für den Quantencomputer vorhanden, der Weg zu seiner Realisation ist aber noch weit.

Lioubov Jokhovets, Christian Grewing, Stefan van Waasen +2 more

Yannick Ole Lipp

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.

Dirk Wittkopp