Our modern information society relies on high-performance local information processing and global information distribution.Complementing today's information technology with quantum networks promises exponentially faster computation, and more efficient and secure communication.First quantum networks have been investigated during the last decades showing the feasibility to utilize quantum technologies locally and globally.In this thesis, we present the experimental implementation of a local quantum network in a circuit quantum electrodynamic (circuit QED) architecture, which has become one of the leading platforms for quantum information processing.Extending the circuit QED framework by reliable, high-bandwidth quantum communication techniques thus paves the way towards distributed quantum computation.Besides quantum computation, combining quantum communication and our fast quantumstate readout techniques provides a basis for studying non-local physics based on Bell tests in circuit QED.Circuit QED systems with typical transition frequencies in the microwave regime need to be operated at temperatures in the tens of millikelvin range to reduce their thermal population.To build circuit QED-based quantum networks we develop a novel modular design of a cryogenic network.We experimentally investigate two cryogenic prototype systems with a length of 4 meter and 10 meter.Based on these characterizations we perform simulations for systems up to 40 meter.The experimental and simulation results indicate that large-scale cryogenic networks can be realized using our modular design.In addition to cryogenic networks, reliable quantum communication at high transfer rates requires low-loss information transmission between distant quantum systems.For that purpose, we characterize coaxial cables and rectangular microwave waveguides down to millikelvin temperatures using a resonant-cavity technique.With this technique we measure attenuation constants down to 1 decibel/kilometer at the single photon level.These low attenuation constants show the potential to perform quantum communication with microwave photons over several tens of meters.In the next part, we realize a direct quantum channel between two remote circuit QED nodes on separate chips.We utilize a fully microwave controlled interaction between a quantum system and a resonator to emit time-symmetric single itinerant photons from the first node and absorb them at the second node.To characterize the performance of the direct quantum channel we transfer quantum states directly and generate entangled states between the remote nodes.We experimentally investigate two different mappings of local quantum states to the itinerant photons.First, we map local quantum states to the Fock-state-basis of the itinerant photons and realize the first deterministic quantum communication between two remote quantum systems.Second, we show that quantum communication errors can be detected by mapping quantum states to a time-bin superposition of a single photon.To herald quantum communication errors by an ancilla quantum systems in future experiments, we test a novel all-microwave interaction between two quantum systems.Quantum gates based on this all-microwave interaction can also be used in more advanced quantum communication algorithms like quantum teleportation or error-correction schemes like entanglement distillation.For all remote quantum communication experiments, we validate the high level of experimental control by observing an excellent agreement with numerical master equation simulations.In conclusion, we present a framework for modular cryogenic quantum networks based on low-loss direct quantum channels for future quantum information processing applications and fundamental studies of non-local physics.ivZusammenfassung Unsere moderne Informationsgesellschaft basiert auf lokalen Hochleistungscomputern und weltweiter Informationsverteilung. Quantennetzwerke, welche die heutige Informationstechnologie ergänzen können, versprechen sowohl exponentiell schnellere Berechnungen als auch eine effizientere und sicherere Kommunikation.Während der letzten Jahrzehnte sind erste Quantennetzwerke erforscht worden, die eine zukünftige Nutzung von Quantentechnologien lokal und weltweit ermöglichen könnten.Die vorliegende Arbeit untersucht die experimentelle Realisierung von lokalen Quantennetzwerken in supraleitenden Schaltkreisen, welche sich zu einer der führenden Plattformen für Quanteninformationsverarbeitung entwickelt haben.Wir erweitern supraleitende Schaltkreise um zuverlässige Techniken zur Quantenkommunikation mit hoher Bandbreite und schaffen somit die Grundlage für verteilte Quantencomputersysteme. Neben Anwendungen im Rahmen der Quanteninformationsverarbeitung schafft die Kombination von Quantenkommunikation und den von uns entwickelten schnellen Messtechniken von Quantenzuständen die Grundlage, um nicht-lokale physikalische Phänomene mit Hilfe bellscher Ungleichungen in supraleitenden Schaltkreisen zu untersuchen.Quantensysteme in supraleitenden Schaltkreisen müssen aufgrund ihrer Übergangsfrequenzen im Mikrowellenbereich auf Temperaturen von einigen zehn Millikelvin abgekühlt werden, um ihre thermische Anregung zu reduzieren.Um zukünftig supraleitenden Quantennetzwerke aufzubauen, entwickeln wir ein neues modulares Design für kryogene Netzwerke.Wir untersuchen experimentell zwei kryogene Prototypsysteme mit einer Länge von 4 Meter und 10 Meter und nutzen diese Charakterisierungsmessungen, um Systeme bis zu 40 Meter Länge zu simulieren.Die experimentellen Ergebnisse und Simulationen deuten darauf hin, dass gross angelegte kryogene Netzwerke mit unserem modularen Design realisiert werden können.Zusätzlich zu kryogenen Netzwerken benötigt eine zuverlässige Quantenkommunikation mit hoher Transferrate eine verlustarme Informationsübertragung zwischen entfernt liegenden Quantensystemen.Wir charakterisieren hierzu Mikrowellenkoaxialkabel und Rechteckhohlleiter bis zu Temperaturen im Millikelvin-Bereich mit Hilfe einer Resonanz-Kavität-Messmethode.Mit dieser Technik messen wir Absorptionskoeffizienten kleiner als 1 Dezibel/Kilometer bei einer Signalstärke auf dem Niveau von einzelnen Photonen.Diese niedrigen Absorptionskoeffizienten zeigen das Potential, dass breitbandige Quantenkommunikation mit Mikrowellenphotonen über mehrere zehn Meter durchgeführt werden kann.Im nächsten Teil dieser Arbeit realisieren wir einen direkten Quantenkanal zwi-schen zwei entfernt liegend, chip-basierten supraleitenden Schaltkreisen.Wir verwenden eine vollständig durch Mikrowellensignale kontrollierte Wechselwirkung zwischen einem Quantensystem und einem Resonator, um einzelne, zeitsymmetrische, sich ausbreitenden Mikrowellenphotonen von einem Netzwerkknoten zu emittieren und an einem zweiten zu absorbieren.Um diesen direkten Quantenkanal zu charakterisieren, übermitteln wir Quantenzustände direkt zwischen zwei Netzwerkknoten und erzeugen verschränkte Zustände zwischen diesen.Wir untersuchen experimentell zwei verschiedene Übertragungsverfahren der lokalen Quantenzustände auf die sich ausbreitenden Mikrowellenphotonen. Zum einen übertragen wir lokale Quantenzustände auf die Fock-Zustands-Basis der sich ausbreitenden Mikrowellenphotonen und realisieren damit die erste deterministische Quantenkommunikation zwischen zwei entfernt liegenden Quantensystemen.Zum anderen zeigen wir, dass Quantenkommunikationsfehler detektiert werden können, indem die lokalen Quantenzustände auf die Superposition von Zeitintervallen eines einzelnen Photons übertragen werden.Um Quantenkommunikationsfehler durch ein Hilfsquantensystem in zukünftigen Experimenten anzuzeigen, testen wir eine neue, mikrowellen-kontrollierte Wechselwirkung zwischen zwei Quantensystemen.Quantengatter, die auf dieser Wechselwirkung basieren, können auch in erweiterten Quantenkommunikationsalgorithmen wie der Quantenteleportation oder zur Fehlerkorrektur mit Hilfe der Verschränkungs-Destillation genutzt werden.In allen Quantenkommunikationsexperimenten belegt eine ausgezeichnete Übereinstimmung mit numerischen Simulationen der Mastergleichung ein hohes Mass an experimenteller Kontrolle unserer Quantensysteme.Zusammenfassend präsentieren wir ein Design für ein modulares kryogenes Quantennetzwerk, das auf verlustarmen Quantenkanälen basiert und das zukünftige Anwendungen im Bereich der Quanteninformationsverarbeitung und der Grundlagenforschung zu nicht-lokalen physikalischen Phänomenen ermöglicht.
Our modern information society relies on high-performance local information processing and global information distribution.Complementing today's information technology with quantum networks promises exponentially faster computation, and more efficient and secure communication.First quantum networks have been investigated during the last decades showing the feasibility to utilize quantum technologies locally and globally.In this thesis, we present the experimental implementation of a local quantum network in a circuit quantum electrodynamic (circuit QED) architecture, which has become one of the leading platforms for quantum information processing.Extending the circuit QED framework by reliable, high-bandwidth quantum communication techniques thus paves the way towards distributed quantum computation.Besides quantum computation, combining quantum communication and our fast quantumstate readout techniques provides a basis for studying non-local physics based on Bell tests in circuit QED.Circuit QED systems with typical transition frequencies in the microwave regime need to be operated at temperatures in the tens of millikelvin range to reduce their thermal population.To build circuit QED-based quantum networks we develop a novel modular design of a cryogenic network.We experimentally investigate two cryogenic prototype systems with a length of 4 meter and 10 meter.Based on these characterizations we perform simulations for systems up to 40 meter.The experimental and simulation results indicate that large-scale cryogenic networks can be realized using our modular design.In addition to cryogenic networks, reliable quantum communication at high transfer rates requires low-loss information transmission between distant quantum systems.For that purpose, we characterize coaxial cables and rectangular microwave waveguides down to millikelvin temperatures using a resonant-cavity technique.With this technique we measure attenuation constants down to 1 decibel/kilometer at the single photon level.These low attenuation constants show the potential to perform quantum communication with microwave photons over several tens of meters.In the next part, we realize a direct quantum channel between two remote circuit QED nodes on separate chips.We utilize a fully microwave controlled interaction between a quantum system and a resonator to emit time-symmetric single itinerant photons from the first node and absorb them at the second node.To characterize the performance of the direct quantum channel we transfer quantum states directly and generate entangled states between the remote nodes.We experimentally investigate two different mappings of local quantum states to the itinerant photons.First, we map local quantum states to the Fock-state-basis of the itinerant photons and realize the first deterministic quantum communication between two remote quantum systems.Second, we show that quantum communication errors can be detected by mapping quantum states to a time-bin superposition of a single photon.To herald quantum communication errors by an ancilla quantum systems in future experiments, we test a novel all-microwave interaction between two quantum systems.Quantum gates based on this all-microwave interaction can also be used in more advanced quantum communication algorithms like quantum teleportation or error-correction schemes like entanglement distillation.For all remote quantum communication experiments, we validate the high level of experimental control by observing an excellent agreement with numerical master equation simulations.In conclusion, we present a framework for modular cryogenic quantum networks based on low-loss direct quantum channels for future quantum information processing applications and fundamental studies of non-local physics.ivZusammenfassung Unsere moderne Informationsgesellschaft basiert auf lokalen Hochleistungscomputern und weltweiter Informationsverteilung. Quantennetzwerke, welche die heutige Informationstechnologie ergänzen können, versprechen sowohl exponentiell schnellere Berechnungen als auch eine effizientere und sicherere Kommunikation.Während der letzten Jahrzehnte sind erste Quantennetzwerke erforscht worden, die eine zukünftige Nutzung von Quantentechnologien lokal und weltweit ermöglichen könnten.Die vorliegende Arbeit untersucht die experimentelle Realisierung von lokalen Quantennetzwerken in supraleitenden Schaltkreisen, welche sich zu einer der führenden Plattformen für Quanteninformationsverarbeitung entwickelt haben.Wir erweitern supraleitende Schaltkreise um zuverlässige Techniken zur Quantenkommunikation mit hoher Bandbreite und schaffen somit die Grundlage für verteilte Quantencomputersysteme. Neben Anwendungen im Rahmen der Quanteninformationsverarbeitung schafft die Kombination von Quantenkommunikation und den von uns entwickelten schnellen Messtechniken von Quantenzuständen die Grundlage, um nicht-lokale physikalische Phänomene mit Hilfe bellscher Ungleichungen in supraleitenden Schaltkreisen zu untersuchen.Quantensysteme in supraleitenden Schaltkreisen müssen aufgrund ihrer Übergangsfrequenzen im Mikrowellenbereich auf Temperaturen von einigen zehn Millikelvin abgekühlt werden, um ihre thermische Anregung zu reduzieren.Um zukünftig supraleitenden Quantennetzwerke aufzubauen, entwickeln wir ein neues modulares Design für kryogene Netzwerke.Wir untersuchen experimentell zwei kryogene Prototypsysteme mit einer Länge von 4 Meter und 10 Meter und nutzen diese Charakterisierungsmessungen, um Systeme bis zu 40 Meter Länge zu simulieren.Die experimentellen Ergebnisse und Simulationen deuten darauf hin, dass gross angelegte kryogene Netzwerke mit unserem modularen Design realisiert werden können.Zusätzlich zu kryogenen Netzwerken benötigt eine zuverlässige Quantenkommunikation mit hoher Transferrate eine verlustarme Informationsübertragung zwischen entfernt liegenden Quantensystemen.Wir charakterisieren hierzu Mikrowellenkoaxialkabel und Rechteckhohlleiter bis zu Temperaturen im Millikelvin-Bereich mit Hilfe einer Resonanz-Kavität-Messmethode.Mit dieser Technik messen wir Absorptionskoeffizienten kleiner als 1 Dezibel/Kilometer bei einer Signalstärke auf dem Niveau von einzelnen Photonen.Diese niedrigen Absorptionskoeffizienten zeigen das Potential, dass breitbandige Quantenkommunikation mit Mikrowellenphotonen über mehrere zehn Meter durchgeführt werden kann.Im nächsten Teil dieser Arbeit realisieren wir einen direkten Quantenkanal zwi-schen zwei entfernt liegend, chip-basierten supraleitenden Schaltkreisen.Wir verwenden eine vollständig durch Mikrowellensignale kontrollierte Wechselwirkung zwischen einem Quantensystem und einem Resonator, um einzelne, zeitsymmetrische, sich ausbreitenden Mikrowellenphotonen von einem Netzwerkknoten zu emittieren und an einem zweiten zu absorbieren.Um diesen direkten Quantenkanal zu charakterisieren, übermitteln wir Quantenzustände direkt zwischen zwei Netzwerkknoten und erzeugen verschränkte Zustände zwischen diesen.Wir untersuchen experimentell zwei verschiedene Übertragungsverfahren der lokalen Quantenzustände auf die sich ausbreitenden Mikrowellenphotonen. Zum einen übertragen wir lokale Quantenzustände auf die Fock-Zustands-Basis der sich ausbreitenden Mikrowellenphotonen und realisieren damit die erste deterministische Quantenkommunikation zwischen zwei entfernt liegenden Quantensystemen.Zum anderen zeigen wir, dass Quantenkommunikationsfehler detektiert werden können, indem die lokalen Quantenzustände auf die Superposition von Zeitintervallen eines einzelnen Photons übertragen werden.Um Quantenkommunikationsfehler durch ein Hilfsquantensystem in zukünftigen Experimenten anzuzeigen, testen wir eine neue, mikrowellen-kontrollierte Wechselwirkung zwischen zwei Quantensystemen.Quantengatter, die auf dieser Wechselwirkung basieren, können auch in erweiterten Quantenkommunikationsalgorithmen wie der Quantenteleportation oder zur Fehlerkorrektur mit Hilfe der Verschränkungs-Destillation genutzt werden.In allen Quantenkommunikationsexperimenten belegt eine ausgezeichnete Übereinstimmung mit numerischen Simulationen der Mastergleichung ein hohes Mass an experimenteller Kontrolle unserer Quantensysteme.Zusammenfassend präsentieren wir ein Design für ein modulares kryogenes Quantennetzwerk, das auf verlustarmen Quantenkanälen basiert und das zukünftige Anwendungen im Bereich der Quanteninformationsverarbeitung und der Grundlagenforschung zu nicht-lokalen physikalischen Phänomenen ermöglicht.
Quantum technologies promise a radically new way to solve classically intractable computing problems. Superconducting circuits as a platform are at the forefront of this field. The cryogenic operation temperatures of superconducting circuits however impose challenges for the further scaling to many connected quantum information processing units into a local area or global network. In this work, we present a hardware solution for connecting quantum devices operating at microwave frequencies into local area networks, which enable the exchange of quantum information between spatially separated parties. Specifically, we demonstrate a modular system spanning distances of 5, 10 and 30 meters operated at cryogenic temperatures and connecting two superconducting circuit systems, located in individual dilution refrigerators, through a quantum communication channel. We develop a thermal model to evaluate the heat transfer processes in the setup, optimize the design and select appropriate materials for its construction. The assembled 30-meter-long system achieves operating temperatures of below 50 mK after a cooldown time of about six and a half days. This link enables the execution of distributed quantum computing and communication algorithms. It also adds the resource of non-locality, certified by a loophole-free Bell test, to the field of quantum science and technology with superconducting circuits.
Die nachste grose technologische Revolution wird zweifelsfrei durch Entwicklungen in der Quantentechnologie eingeleitet werden. Um den erhofften Durchbruch von Quantencomputern zu ermoglichen, gibt es unterschiedliche physikalische Systeme und Herangehensweisen; von kalten Atomen und Ionen bis hin zu Photonen oder supraleitenden Schaltkreisen. Obwohl sich diese unterschiedlichen physikalischen Strukturen sehr stark voneinander unterscheiden, haben alle ihre eigenen Vor- und Nachteile was das Rennen, welches System sich schlussendlich durchsetzen wird, zum jetzigen Zeitpunkt vollig offenlasst. Photonische Quantencomputer haben aufgrund der geringen Wechselwirkung zwischen Photonen und ihrer Umgebung, und den damit verbundenen langen Koharenzzeiten, das Potential, komplexe Quantenalgorithmen realisierbar zu machen. Schon jetzt werden Photonen in der Quanteninformationstechnologie genutzt, um Daten sicher, schnell und uber grose Distanzen hinweg ubertragen zu konnen. Andererseits ist genau diese schwache Wechselwirkung zwischen einem Photon und seiner Umgebung, und damit auch jene zwischen einzelnen Photonen selbst, das groste Hindernis fur photonische Quantencomputer; es fehlt bis heute an deterministischen Einzelphotonenquellen und Quantengattern. Diese Herausforderungen konnten jedoch durch den Einsatz von starken Nichtlinearitaten auf Einzelphotonenniveau uberwunden werden.
In dieser Dissertation beschaftige ich mich sowohl mit deterministischen Einzelphotonenquellen als auch mit Quantengattern unter Ausnutzung der starken optischen Nichtlinearitat von Graphen. Ich zeige ein neues und universelles Quadratwurzel-SWAP-Gatter basierend auf Oberflachenplasmonen in Graphen-Nanobandern. Durch die starke Nichtlinearitat dieser Struktur ist die Absorption von zwei Plasmonen starker als jene eines einzelnen Plasmons; der damit einhergehende Zeno-Effekt verhindert, dass sich das System in Fehlerzustande des Gatters entwickelt. Unser vorgeschlagenes Gatter konnte uns durch dessen Erfolgswahrscheinlichkeit von 99% naher an ein deterministisches Quantengatter bringen, was unter anderem universelle und skalierbare Quanteninformationsverarbeitung ermoglichen wurde. Die starke zeitgleiche Absorption von zwei Plasmonen, welche diese Gatter benotigt, basiert auf Graphens starker Nichtlinearitat dritter Ordnung, die bisher zwar theoretisch vorausgesagt, aber experimentell noch nicht beobachtet wurde. In dieser Arbeit zeige ich unsere experimentelle Herangehensweise, um diesen Effekt dritter Ordnung durch die Kombination von Plasmonen in Graphen-Metall Heterostrukturen zu erforschen. Obwohl die von uns beobachtete Nichtlinearitat noch nicht stark genug ist, um nichtlineare Effekte auf Einzelphotonenniveau zu erzeugen, so haben wir trotzdem eine Steigerung des Signals dritter Ordnung um den Faktor 1500 gemessen und zusatzlich experimentelle Beweise fur die Existenz von Plasmonen in diesem Prozess gefunden. Dies zeigt eindeutig das Potential von Graphen, nichtlineare Effekte selbst auf Einzelphotonenniveau zu erzeugen, was wiederum deterministische Einzelphotonenquellen ermoglichen wurde.
Zusatzlich zur Forschung mit Graphen, haben wir im Laufe meiner Dissertation ein kontrafaktisches Kommunikationsprotokoll basierend auf dem Zeno Effekt realisiert. In diesem Protokoll trennen wir eine eigentliche Nachricht von dem Medium, das die Information tragt, sodass wir im Experiment Nachricht und Photonen als Informationstrager in unterschiedliche Richtungen schicken. Dieses Experiment wurde auf einer integrierten photonischen Plattform durchgefuhrt, deren Stabilitat und Durchstimmbarkeit das kontrafaktische Uberbringen einer Nachricht mit Einzelphotonen zwischen zwei Parteien ermoglichte. Die Bitfehlerrrate bei einer Nachrichtenubertragung zwischen Alice und Bob ist dabei kleiner als 1%.
Photonen, die Quanten des Lichts, können sehr komplexe räumliche Strukturen einnehmen, wenn sie frei propagieren. Diese Strukturen werden durch räumliche Moden beschrieben, und ergeben einen unendlich-dimensionalen, diskreten Hilbert-Raum. Eine interessante Eigenschaft von Photonen in diesen Lichtstrukturen ist, dass sie einen quantisierte Einheit von Drehimpuls tragen können welcher -- zumindest theoretisch -- nach oben hin unbeschränkt ist. Dieser unbeschränkte Zustandsraum lässt im Prinzip Informationskodierung mit einem groß en Alphabet zu, das Informationsdichten von mehr als einem Bit pro Photon ermöglicht. Diese Eigenschaft ist natürlich in der klassischen Kommunikation interessant, wo sie bereits benützt wird um Datenraten von mehr als 100 Tbit/sec zu erreichen. Speziell in quantenphysikalischen Situationen lässt es auch sehr interessante Möglichkeiten zu, wie zum Beispiel hochdimensionale Verschränkung. Zwei Systeme sind verschränkt, wenn sie gemeinsam eine von mehreren Eigenschaften annehmen können (wie zum Beispiel die Polarisation von Photonen), diese Eigenschaft aber vor der Messung noch nicht realisiert ist. Erst durch die Messung von einem der Systeme wird eine Eigenschaft realisiert (zum Beispiel, dass das Photon horizontale Polarisation hat), und weil es eine gemeinsame Eigenschaft des Photonen-Paars ist, nimmt auch das zweite Photon diese Eigenschaft an -- egal wie weit es entfernt ist. Hochdimensionale Verschränkung bedeutet, dass die Photonen eine von vielen Eigenschaften gemeinsame einnehmen könnten. Aber erst durch die Messung wird eine dieser Einstellungen realisiert -- und im gleichen Augenblick nimmt das Partner-Photon diese Eigenschaft an. Das zeigt, dass zwei Photonen gemeinsam über groß e Distanzen hinweg auf eine nicht-lokale/nicht-reale Weise viel Information tragen können. In dieser Arbeit habe ich mich mit räumlichen Strukturen von Photonen und ihren quantenphysikalischen Eigenschaften beschäftigt -- in groß en Hilbert-Räumen als auch in groß en realen Räumen. Im ersten Experiment wird untersucht, in wie vielen Dimensionen man zwei Photonen verschränken kann. Wir konnten Photonenpaare erzeugen, die in über 100 Dimensionen verschränkt sind -- und haben diese in einer Serie von insgesamt 200.000 Messungen auch nachweisen können. Der entsprechende Hilbert Raum ist vergleichbar mit zwei-dimensionaler Verschränkung von etwa 13 Teilchen. Das zeigt ein riesiges Potential für die Umsetzung von Quantenkommunikations-Experimenten mit bereits vorhandenen Technologien. Aufbauend darauf haben wir uns gefragt, ob Photonen in diesen Lichtstrukturen auch über Distanzen übertragen werden können, die größ er sind als typische optische Tische im Labor -- was natürlich für realistische Quantenkommunikations-Experimente notwendig ist. Diese Frage wurde bis zu dem Zeitpunkt nur in theoretischen Modellierungen und numerischen "Experimenten" untersucht -- mit durchaus kritischen Resultaten. Da es aber noch keine experimentellen Untersuchungen gab, noch nicht einmal für klassische Laser mit räumlichen Strukturen, haben wir über einen 3 Kilometer langen Kommunikationslink -- durch die Stadt Wien -- einen ersten Test gemacht. Dieser erste Test zeigte (für uns unerwartet) gute Resultate, sodass wir in einem Nachfolgeexperiment auf dem gleichen 3 Kilometer Link auch verschränkte Photonen in räumlichen Strukturen übertragen haben. Wir konnten die Eigenschaft der Verschränkung tatsächlich nachweisen, was bedeutet dass die räumliche Struktur von Einzelphotonen durch die Atmosphäre nicht zu stark beeinflusst wird. Um die Limits weiter auszuschöpfen, haben wir ein klassisches Experiment zwischen zwei kanarischen Inseln über 143 Kilometer durchgeführt, und die übertragenen Strukturen konnten immer noch erkannt werden. In einer weiteren Arbeit wollten wir das Potential von hochdimensionaler Verschränkung auf mehrere Teilchen erweitern, um neue Effekte in hoch-dimensionaler Vielteilchen-Verschränkung zu untersuchen. Dabei stieß en wir gleich auf das folgende praktische Problem: Uns war nicht klar, wie der dementsprechenden experimentelle Aufbau aussehen sollte, der solche Zustände erzeugen kann. Das Problem habe ich gelöst durch einen Computeralgorithmus (den wir Melvin nennen) der automatisch Implementationen von Experimenten finden kann. Mehrere dieser computer-designten Experimente wurden in unseren Labors bereits erfolgreich umgesetzt, andere werden im Moment gebaut. Diese daraus resultierenden Experimente erlauben die Untersuchung von Zuständen im Labor, die man sonst nur auf Papier analysieren kann. Die computer-designten Experimente sind sehr kontraintuitiv, und schwierig zu verstehen -- sie beinhalten aber auch Techniken an die wir normalerweise nicht denken würden. Ein solcher technische Trick hat uns zur Entdeckung einer neuen Art von sehr allgemeiner Verschränkungserzeugung inspiriert, und ist (für mich) ein Beispiel von erfolgreicher Mensch-Maschine Synergie. Im letzten Kapitel habe ich neun Folgefragen und -Projekte aufgelistet, deren Lösung ich besonders spannend finden würde.
After years of academic development, the circuit quantum electrodynamics is entering the age of applications. This thesis was realized in this context of creating tools to bridge the gap between an astounding academic quantum system, superconducting circuits, and a grand goal, the universal quantum computer. A likely blueprint for quantum processors consists in the assembly of a large number of elementary modules arranged in a network.In this experimental thesis, a possible node for such a network, the quantum node, was developed and fabricated using state-of-the-art techniques for 2D superconducting microwave circuits. This node was first used to implement a novel sequential readout method for a superconducting qubit. This experiment, first proposed in 2013 by Sete et al., potentially allows for faster, more accurate read out of superconducting qubits. The read out of qubits is one of the several bottlenecks limiting the development of fault-tolerant superconducting quantum computers, which made this project both useful as a demonstration of the quantum node and for applications. This novel readout method achieves readout performances close to state-of-the-art of superconducting qubit readout even though the chip was not optimized for that purpose.During this work, we also contributed to two other experiments engineering quantum measurement and dissipation with superconducting circuits. First, a dedicated circuit was developed to demonstrate a new form of quantum measurement: the multiplexed photon number measurement. In that experiment led by A. Essig and Q. Ficheux, a superconducting transmon quantum bit is read out at multiple frequencies simultaneously to extract more than one bit of information about the number of photons contained in a microwave resonator coupled to that quantum bit.Second, we contributed to the experimental demonstration of the exponential suppression of bit-flips in a qubit encoded in a Schrödinger Cat state of a microwave mode. This experiment led by R. Lescanne and Z. Leghtas, demonstrates the improvement by a factor 300 of the lifetime of a qubit thanks to the autonomous error correction realized through the engineering of the dissipation of a microwave mode.
Zeitkontinuierliche Messungen sind ein etablierter Teil und Grundlage vieler quantenoptischer Experimente. Diese Arbeit untersucht mögliche Ansätze zur Verwendung von Homodyn-Detektion von Licht für die effiziente Erzeugung und Verifikation von nicht-trivialen Quantenzuständen in unterschiedlichen Systemen. Im ersten Teil verwenden wir ein Feedback-Schema basierend auf der interferometrischen Messung von Licht und lokalem Feedback, um eine effektive Vielteilchenwechselwirkung mit inhärenter kollektiver Dissipation zwischen N lokalen Quantensystemen zu generieren. Unser oberstes Ziel ist es, dieses konzeptuell einfache Schema für die zuverlässige Erzeugung von verschränkten Vielteilchenzuständen zwischen voneinander entfernten, nicht-wechselwirkenden Quantensystemen zu nutzen, was die Voraussetzung für eine Reihe von Quanteninformationsprotokollen ist. Um die Machbarkeit dieses Vorhabens einzuschätzen, verallgemeinern wir ein bekanntes Feedbackprotokoll von einem Paar auf N Zwei-Level-Systeme und zeigen, dass es in der Tat deterministisch verschränkte Vielteilchenzustände erzeugt. Eine weitere wichtige Anwendung ist Quantensimulation, bei der ein leicht zugängliches System verwendet wird, um eine gewünschte Quantendynamik zu emulieren, die sonst nur schwer zu simulieren ist. Als konkretes Fallbeispiel zeigen wir, wie man eine effektive Ising- Wechselwirkung mit beliebiger Reichweite und Geometrie zwischen N Zwei-Level-Systemen realisiert und wir untersuchen den Effekt der resultierenden Dissipation. Im zweiten Teil zeigen wir, wie man Retrodiktion verwendet, also der Rückschluss auf Eigenschaften eines vergangenen Zustands aus zukünftigen Beobachtungen, um eine Aufzeichnung kontinuierlicher Messungen als instantane POVM-Messung des Anfangszustands eines observierten Systems zu interpretieren. Wiederholte POVM-Messungen an einem Ensemble identischer Quantenzustände können verwendet werden, um den zugrunde liegenden Dichteoperator mittels Zustands-Tomographie zu rekonstruieren. Dies erlaubt es, vorliegende nicht-trivialen Quantenzustände bei ausreichender Auflösung der POVM nachzuweisen. Wir konzentrieren uns auf lineare Systeme, leiten die Bewegungsgleichungen der Kumulanten von allgemeinen Quantenzuständen und POVM-Elementen her und zeigen, dass stabile Dynamik jeden Operator dazu bringt, im stationären Zustand zu einem Gaußschen Operator zu werden. Wir wenden die Retrodiktion auf ein optomechanisches System im Regime der schwachen Kopplung an. Hier zeigen wir, dass große Kooperativität, Cq > 1, und effiziente Homodyn-Detektion zusammen die Retrodiktion einer quantenrauschaufgelösten POVM ermöglichen, so wie sie auch die Erzeugung konditionaler gequetschter Zustände erlauben.
In this thesis, experimentally relevant aspects and open questions of quantum information processing and measurement in circuit quantum electrodynamics have been investigated theoretically. Circuit quantum electrodynamics is a relatively young field combining superconducting transmission line resonators on-chip with superconducting quantum bits which serve as artificial atoms. Remarkable experiments have underlined the prospects of circuit QED as a possible architecture for quantum information processing as well as a framework within which quantum optics experiments can be performed. In contrast to their optical counterparts, these experiments reach the ultra-strong coupling limit and allow e.g. the generation of Fock states, the study of decoherence and the observation of quantum jumps. We present the physics of superconducting circuits based on the Josephson junction as a non-linear circuit element. We discuss the various types of quantum bits (qubits) before turning to an introduction on cavity QED and conclude the introduction with a brief presentation of the most relevant experiments and a short introduction to the principles and prospects of quantum information processing. Building on the pioneering theoretical and experimental work in which up to three qubits have been integrated on a chip and successfully coupled via a cavity mode, we propose a scheme to overcome the natural limits concerning scalability in these systems. Usually, scalability is severely limited by the resonance width of the qubit transitions and the attainable frequency range for both qubit transition and cavity resonance frequencies. This limits the present setups to at most ten qubits. As a possible solution, we propose and investigate a cross-bar grid layout of cavities with qubits at the intersections. It turns out that this setup, allowing for up to about 1000 qubits, offers significant advantages over e.g. nearest-neighbor coupling schemes. In addition, it can serve as a building block for a truly scalable scheme for fault-tolerant quantum information processing with superconducting circuits by combining 7x7 arrays in a staircase manner. Furthermore, we discuss and simulate different possibilities to improve upon the suggested scheme by e.g. using resonant gates and optimal control theory. Another focus of the present thesis is measurement physics. In order to investigate e.g. the possibilities of using a circuit QED system to dispersively detect single microwave photons or to generate multi-qubit entangled states, we introduce in a pedagogical manner the basics of stochastic master equations which generate quantum trajectories before turning to concrete applications. Quantum trajectories have proven to be a state-of-the-art tool to analyze measurement situations in a very realistic manner by giving access to both the measurement record as well as the internal quantum dynamics conditioned on this record. Using the method of quantum trajectories as generated by stochastic master equations, we discuss a scheme to efficiently generate multi-qubit entangled states in a very flexible way. The method is based on a collective, dispersive qubit readout. By this measurement, a suitable product state of N qubits can be reliably converted into e.g. an N-qubit Greenberger-Horne-Zeilinger or W state. We propose and discuss the scheme and investigate the effects of decoherence and parameter spread as they would be encountered in experiment. Last but not least, we propose and fully analyze a scheme to dispersively detect single itinerant microwave photons. While experiments to generate single microwave photons have already been successfully performed, their single-shot quantum non-demolition detection has not been possible so far. The scheme presented in this thesis closes this gap in the circuit QED toolbox and reaches detection efficiencies of 30% only limited by fundamental quantum mechanics in this case the Quantum Zeno effect. This detection scheme could be used in quantum communication or quantum cryptography applications.