Ein klassisches Experiment

W. Braunbek

Sarah Stöckl

Quantencomputer sind von großem Interesse, da sie das Potential haben weit mehr zu leisten als klassische Computer. Die Realisierung eines solchen universellen Quantencomputers ist jedoch eine große Herausforderung, da die theoretisch nötigen Bedingungen, mit dem heutigen Stand der Technologie nicht geschaffen werden können. In diesem Zusammenhang bieten sogenannte "Zwischenmodelle" einen guten Kompromiss. Ein solches Konzept ist das sogenannte Boson Sampling, bei dem identische Photonen durch ein passives, lineares Netzwerk geschickt werden um eine Wahrscheinlichkeitsverteilung zu erhalten, die auf nicht-klassischer Interferenz beruht. Diese Verteilung ist proportional zu der Permanenten der komplexen Matrix, die das lineare Netzwerk beschreibt. Da kein effizienter klassischer Algorythmus zur Berechnung einer Matrix mit komplexen Einträgen existiert, bietet die quantenmechanische Version eines Computers die Möglichkeit dieses Problem zu lösen. Der Kern dieser Arbeit ist die Vorstellung eines Experiments, das Boson Sampling einen Schritt weiter führt und anstatt der Permanenten auch die Determinante und Immanenten der Matrix miteinbezieht. Diese Erweiterung ermöglicht eine weit bessere Beschreibung der resultierenden Wahrscheinlichkeitsverteilung und kann dementsprechend für alle Experimente angewendet werden, die auf linearen optischen Netzwerken und einzelnen Photonen beruhen.

Stefanie Barz

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.

R. Casalbuoni, G. Domokos, Susan Kovesi-Domokos +1 more

Angelika Leute

Abstract Der youngsche Doppelspaltversuch ist ein klassisches Experiment, das die Interferenz von Licht sichtbar macht und damit seinen Wellenscharakter verdeutlicht. Analog dazu kann man zeigen, daß auch quantenmechanische Teilchen Welleneigenschaften besitzen: Interferenz am Doppelspalt läßt sich ebenso für die De‐Broglie‐Wellen freier Elektronen nachweisen. Zwei amerikanische Wissenschaftler, Michael Noel und Carlos Stround von der Universität Rochester, New York, haben nun ein „Doppelspalt experiment”︁ vorgestellt, das die Interferenz eines gebundenen Elektrons in einem Atom demonstriert [1.2].