Diese Dissertation behandelt zwei Schlusselthemen der experimentellen Quantenoptomechanik: Optimale Schatzung des Zustandes eines optomechanischen Systems und Erzeugung und Nachweis von optomechanischer Verschrankung. Im ersten Teil der Dissertation prasentiere ich das erste Experiment zur optimalen Zustandsschatzung in der Cavity-Optomechanik. Die optimale Zustandsschatzung erfolgt durch einen Kalmanfilter, dem ein realistisches Modell des Experiments zu Grunde liegt. Die Anwendbarkeit des Kalmanfilters auf unser Experiment wird durch statistische Methoden nachgewiesen. Der Kalmanfilter ermoglicht eine systematische Behandlung typischer experimenteller Unzulanglichkeiten, wie etwa die gleichzeitige Kopplung an mehrere mechanische Moden, frequenzabhangiges Laserrauschen und ineffiziente Detektion. Der Kalmanfilter ist universell anwendbar fur beliebige cavity-optomechanische Systeme, so lange die Wechselwirkung Gaussch ist. Er kann sowohl auf klassische Systeme angewandt werden, als auch auf Systeme, die durch Quantenrauschen dominiert sind. Auserdem erlaubt der Kalmanfilter eine Echtzeit-Implementierung, so dass er als Grundlage fur optimales Feedback-Kuhlen quanten-optomechanischer Systeme dienen kann.
Der zweite Teil der Dissertation beschaftigt sich mit optomechanischer Verschrankung. Die optomechanische Wechselwirkung zwischen dem Lichtfeld und einer mechanischen Mode kann zu Verschrankung zwischen verschiedenen temporalen Moden des reflektierten Lichtfelds fuhren. Dieser Effekt kann beispielsweise in Pump-probe-Experimenten nachgewiesen werden. In dieser Arbeit analysiere ich ein alternatives Protokoll zur Detektion solcher Verschrankung fur optomechanische cavities, die kontinuierlich und resonant getrieben werden. Ausfuhrliche, systematische Simulationen zeigen, dass dieses Protokoll auch in Systemen mit mehreren mechanischen Moden und unter realistischen Annahmen an das klassische Laserrauschen Verschrankung nachweisen kann. Eine Besonderheit des Protokolls ist, dass die verschiedenen temporalen Lichtmoden vollstandig im Postprocessing extrahiert und korreliert werden. Daher ist die Methode sehr flexibel und ermoglicht prinzipiell die Analyse von Korrelationen zwischen beliebigen temporalen Moden des reflektierten Lichtfelds.
Diese Dissertation behandelt zwei Schlusselthemen der experimentellen Quantenoptomechanik: Optimale Schatzung des Zustandes eines optomechanischen Systems und Erzeugung und Nachweis von optomechanischer Verschrankung. Im ersten Teil der Dissertation prasentiere ich das erste Experiment zur optimalen Zustandsschatzung in der Cavity-Optomechanik. Die optimale Zustandsschatzung erfolgt durch einen Kalmanfilter, dem ein realistisches Modell des Experiments zu Grunde liegt. Die Anwendbarkeit des Kalmanfilters auf unser Experiment wird durch statistische Methoden nachgewiesen. Der Kalmanfilter ermoglicht eine systematische Behandlung typischer experimenteller Unzulanglichkeiten, wie etwa die gleichzeitige Kopplung an mehrere mechanische Moden, frequenzabhangiges Laserrauschen und ineffiziente Detektion. Der Kalmanfilter ist universell anwendbar fur beliebige cavity-optomechanische Systeme, so lange die Wechselwirkung Gaussch ist. Er kann sowohl auf klassische Systeme angewandt werden, als auch auf Systeme, die durch Quantenrauschen dominiert sind. Auserdem erlaubt der Kalmanfilter eine Echtzeit-Implementierung, so dass er als Grundlage fur optimales Feedback-Kuhlen quanten-optomechanischer Systeme dienen kann.
Der zweite Teil der Dissertation beschaftigt sich mit optomechanischer Verschrankung. Die optomechanische Wechselwirkung zwischen dem Lichtfeld und einer mechanischen Mode kann zu Verschrankung zwischen verschiedenen temporalen Moden des reflektierten Lichtfelds fuhren. Dieser Effekt kann beispielsweise in Pump-probe-Experimenten nachgewiesen werden. In dieser Arbeit analysiere ich ein alternatives Protokoll zur Detektion solcher Verschrankung fur optomechanische cavities, die kontinuierlich und resonant getrieben werden. Ausfuhrliche, systematische Simulationen zeigen, dass dieses Protokoll auch in Systemen mit mehreren mechanischen Moden und unter realistischen Annahmen an das klassische Laserrauschen Verschrankung nachweisen kann. Eine Besonderheit des Protokolls ist, dass die verschiedenen temporalen Lichtmoden vollstandig im Postprocessing extrahiert und korreliert werden. Daher ist die Methode sehr flexibel und ermoglicht prinzipiell die Analyse von Korrelationen zwischen beliebigen temporalen Moden des reflektierten Lichtfelds.
Die Motivation hinter meiner Masterarbeit ist es einen klaren theoretischen Einblick in das gerade laufende Experiment an der Universität Wien innerhalb der Arbeitsgruppe von Univ.- Prof. Dr. Markus Aspelmeyer zur Erzeugung und Detektion von CV Verschränkung in optomechanischen Systemen [HO17] zu erhalten. In diesem Experiment sollen nicht-klassische Korrelationen zwischen Lichtfeld und mechanischen Komponente eines optomechanischen Aufbaus nachgewiesen werden. Da die mechanische Komponente des Experiments jedoch nur schwer für die Detektion zugänglich ist wird diese Art der Korrelationen über zwei zeitlich getrennten Pulsen im aus der Cavity austretenden Lichtfeld nachgewiesen wobei durch die optomechanische Interaktion der Zustand des mechanischen Subsystems auf das Lichtfeld übertragen wird. Im ersten Teil meiner Arbeit betrachten wir ein optomechanisches System bestehend aus einem Fabry-Pérot-cavity mit einem beweglichen Endspiegel. Im speziellen sind wir an der Interaktion zwischen dem optischen und dem mechanischen Subsystem interessiert, welche durch die linearisierten Quanten Langevin Gleichungen (QLG) beschrieben wird. Im zweiten Teil meiner Arbeit präsentiere ich einen Weg um die erhaltenen linearisierten QLG für den Gleichgewichtszustands des Systems auf analytische Weise zu lösen. Zusätzlich diskutiere ich die Anwendung zweier Filterfunktionen auf das austretende Lichtfeld wodurch es möglich ist zwei zeitlich getrennte Moden entsprechend den Pulsen im eigentlichen Experiment zu definieren und ihre Verschränkung zu untersuchen. Alle diskutierten Aspekte gipfeln letztendlich in der Implementation eines Programmes welches es dem Anwender erlaubt die Kovarianzen Matrizen für unterschiedliche Konstellationen von Subsysteme zu generieren. Mit Hilfe dieses Programmes werden Einflüsse verschiedener Parameter auf die Verschränkung im System des oben genannten Experimentes untersucht und so sodass Vorhersagen für optimale experimentelle Parameter gemacht werden können.
Quantenverschrankung ist ein wesentliches Merkmal der Quantenphysik und sie findet Anwendung in der Quanteninformationsverarbeitung
und Quantenkommunikation. Prominente Beispiele hierfur
sind Quantenteleportation, Quantenkryptographie sowie fundamentale
Tests der Quantentheorie. Diese Arbeit befasst sich mit der Erzeugung
und dem Nachweis von optomechanischer Verschrankung
kontinuierlicher Variablen zwischen einer Licht-Mode und einem mechanischen
Multimoden-Oszillator.
Das optomechanische System besteht aus einer Siliziumnitrid-
Membran, die sich in einem Fabry-Perot Resonator mit einer hohen
Finesse befindet. Das System wurde optimiert und operiert nachweislich
im Bereich starker Kooperativitat, einer notwendigen Bedingung
fur die Erzeugung von Verschrankung.
Ein gepulst-kontinuierliches Protokoll zum Nachweis von Verschrankung
ist auf Korrelationsmessungen im Bereich starker Kooperativitat
angewendet worden. Die Ergebnisse demonstrieren, dass
der ubliche Ansatz, bei dem eine mechanische Mode hoher Gute
isoliert wird um Verschrankung nachzuweisen, nicht anwendbar ist.
Der Multimodenaspekt der Membran muss und wird in der Auswertung explizit berucksichtigt, genauso wie spektrale Eigenschaften der
Detektion, wodurch der Weg zu optomechanischer Multimodenverschrankung
geebnet wird.
Diese Dissertation befasst sich mit der Quantenkontrolle von Schwingungsprozessen im Hinblick auf molekulares Quantencomputing.Der Ansatz des Quantencomputing Konzepts basiert auf Schwingungsfreiheitsgraden von polyatomaren Molekülen.Die logischen Werte der Qubits 0 oder 1 werden jeweils durch einen bestimmten Anregungsgrad einer Normalmode kodiert und die logischen Quantenoperationen werden durch speziell geformte, ultrakurze Laserpulse implementiert.Diese Laserfelder lassen sich mit Hilfe der sogenannten Optimalen Kontrolltheorie ermitteln.Das Konzept des molekularen Quantencomputings, das ursprünglich auf Quantengattern basierte, die einen IR Anregungsprozess im Molekül bewirken, wird im ersten Teil der Dissertation auf Raman aktive Normalmoden übertragen.Daraus ergibt sich der Vorteil, dass nun auch andere Frequenzbereiche, z.B. der Bereich um 800 nm, für die Realisierung der Quantenoperationen im Experiment zur Verfügung steht.Im nahen IR und UV/VIS Bereich existieren schon seit längerer Zeit ausgereifte Techniken des Pulsformens.Mittels verschiedener ab-initio Untersuchungen konnte das Molekül Butylamin und speziell dessen Raman aktive C-H Streckschwingungen, als ein geeignetes Qubit System zur ersten theoretischen Demonstration dieser Idee, ermittelt werden.Ein universeller Satz von Quantengatter, bestehend aus kurzen und einfach strukturierten Laserpulsen konnte mit sehr hohen Effizienzen optimiert werden.Zur Berechnung der nichtresonanten Laserfelder, die den Schwingungsprozess induzieren, der den logischen Operationen zu Grunde liegt, musste das bisher in der Optimalen Kontrolltheorie verwendete Kontrollfunktional modifiziert werden.Die Erweiterung um Frequenzfilteroperationen erlaubt nun zum ersten Mal die Kontrolle von nichtresonanten Zwei-Farben-Prozessen und die gleichzeitige Berechnung der beiden an dem Prozess beteiligten Laserfelder.Dieses neu entwickelte, kontrolltheoretische Verfahren stellt eine universelle Methode dar und lässt sich leicht auf verschiedene Prozesse v übertragen in denen entspechende Filteroperationen hilfreich oder sogar essentiell sind.Nachdem gegenwärtig die ersten erfolgreichen Demonstrationen von geformten, ultrakurzen Laserpulsen auch im mittleren IR Bereich vorgestellt werden, ist es interessant die Übereinstimmung der jeweilig gefundenen Ergebnisse von theoretischen und experimentellen Kontrollstudien zu vergleichen.Die experimentelle Herangehensweise basiert auf Optimierungen mit Rückkopplungsschleifen, deren zentrale Elemente ein evolutionärer Algorithmus, ein Pulsformer und ein Rückkopplungssignal, das auf die Effizienz des Prozesses schließen lässt, sind.Die experimentellen Ergebnisse für die optimalen Laserpulse können sehr komplex und auch ungünstigerweise sehr lang ausfallen.In der vorliegenden Arbeit wurden verschiedene Strategien entwickelt um dies zu umgehen.Untersucht wurden in diesem Zusammenhang zwei verschiedene Ansätze der Phasenmodulation, eine Einschränkung der Variationsbreite der Phase, sowie die spektrale Breite der Eingangspulse.Als Ergebnis konnte gezeigt werden, dass eine parametrisierte, sinusförmige Phasenmodulation, die oft im Experiment Verwendung findet um die Komplexität der Felder zu reduzieren, zu unflexibel ist für eine effiziente Implementierung von Quantengattern.Dagegen bieten sich gepixelte Maskenfunktionen in Kombination mit einer geeigneten Wahl der Eingangspuls-und Optimierungsparameter an.Alternativ zu dem bisher verwendeten evolutionären Algorithmus wurden neue Optimierungsmethoden vorgeschlagen, die auf einem "multi-objective" genetischen Algorithmus und einem natürlichen Algorithmus, dem sogenannten Ameisenalgorithmus, beruhen.Diese Methoden führen leicht zu den gewünschten Ergebnissen, ohne Verlust der hohen Quanteneffizienz und lassen sich direkt auf die experimentelle Herangehensweise übertragen.Diese Studien erlauben eine Optimierung direkt im Suchraum des Experiments und lassen von daher verlässliche Vorhersagen zu, bei denen alle experimentellen Rahmenbedingungen konsequent eingehalten werden können.Aussagen zur experimentell maximal erreichbaren Effizienz mit den zur Verfügung stehenden Eingangspulsen können getroffen werden, aber auch eine Benennung der geeignetsten Startbedingungen wird möglich.Zusätzlich wurden Quantenkontrollstudien von Schwingungsprozessen in offenen Systemen durchgeführt, d.h.dissipative Effekte wurden direkt in die theoretischen Untersuchungen miteinbezogen.Aus den Resultaten lässt sich ableiten, dass möglichst kurze Pulsdauern essentiell für hohe Quantenausbeuten vi sind und genau dies lässt sich mit den in der Dissertation entwickelten und vorgestellten Kontrollverfahren erreichen.Einen Schritt über einzelne Qubit Systeme hinaus, wurde durch die Konstruktion eines ersten, kleinen Quantennetzwerkes gemacht.Hierbei wurden zwei molekulare Qubit Einheiten durch eine lineare Molekülkette miteinander verknüpft.Diese Idee stellt ein erstes Konzept in Richtung der Skalierbarkeit des Quantencomputing Ansatzes dar.Ein Modellsystem wurde aufgesetzt und ein Laser-getriebener Schwingungsenergietransfer über das Kettenmolekül von der einen Qubit Seite auf die andere Seite optimiert.Dies lässt sich als eine Kommunikation zwischen benachbarten Qubit Einheiten verstehen und könnte so zur Konstruktion von Quantenregistern oder einer entsprechenden Wechselwirkung mit molekularen Speichereinheiten führen.
Verschränkung ist eines der grundlegendsten Merkmale in der Quantenmechanik. Sie beschreibt einen nicht separierbaren Zustand von zwei oder mehr quantenmechanischen Objekten und besitzt z. T. Eigenschaften, welche dem klassischen physikalischen Sinn widersprechen. Während das Konzept der Verschränkung, welches bereits von E. Schrödinger in 1935 eingeführt wurde, allgemein gut verstanden ist, stellen die Erzeugung und Analyse von verschränkten Zuständen noch immer eine erhebliche Herausforderung dar. Insbesondere die Verschränkung von verschiedenartigen Objekten wie Atomen und Photonen wurde erst vor kurzem erreicht und ist Gegenstand aktiver Forschung. Diese Arbeit berichtet über Experimente mit Verschränkung zwischen einem einzelnen Rubidium Atom und einem einzelnen Photon. Das Atom wird in einer optischen Falle gehalten, wo es exakt lokalisiert ist und sein interner Zustand mit Laserpulsen manipuliert werden kann. Zur Erzeugung der Verschränkung wird das Atom optisch in ein kurzlebiges höheres Niveau angeregt, von wo aus es unter Ausstrahlung eines einzelnen Photons zurück in den Grundzustand fällt. Die Polarisation des emittierten Photons ist verschränkt mit dem Spin des Atoms. In dieser Arbeit wurden Methoden entwickelt, die Präparation und Analyse des Atom-Photon Zustandes mit hoher Genauigkeit erlauben. Um den Zustand für weitere Anwendungen verfügbar zu machen, mussten mehrere Probleme gelöst werden. Erstens ist der interne Zustand des Atoms empfindlich gegenüber äußeren Störungen, insbesondere durch magnetische und elektromagnetische Felder. Um den Zustand des Atoms während des Experiments (welcher auf der Skala von Mikrosekunden abläuft) zu erhalten, wurde u. a. ein System zur aktiven Stabilisierung der Magnetfelder entwickelt. Zweitens muss das vom Atom emittierte Photon zu einem anderen Ort übertragen werden, dabei soll sein Zustand erhalten bleiben. Für diesen Zweck wurde eine faseroptische Strecke von 300 Metern Länge aufgebaut. Wegen der mechanisch bedingten Doppelbrechung in der Faser, ändert sich der Polarisationszustand des Photons während der Übertragung. Deshalb wurde ein System zur aktiven Kompensation der Doppelbrechung entworfen und installiert. Um die Zuverlässigkeit der optischen Verbindung zu bestätigen, wurde das vom Atom emittierte Photon übertragen und Verschränkung nachgewiesen. Der neue Typ der Verschränkung hat viele Anwendungen, insbesondere im Bereich der Quanten-Informationsverarbeitung. Die Fähigkeit, Superpositionszustände und verschränkte Zustände zu speichern und zu verarbeiten, erlaubt effiziente Lösung von speziellen Problemen, welche auf klassischen Computern nicht innerhalb realistischer Zeit lösbar sind. Darüber hinaus erfordert und ermöglicht die quantenmechanische Natur dieser Information prinzipiell neue Methoden der Kommunikation (z.B. Quanten-Teleportation und Kryptographie). Ein Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Implementierung des Protokolls zur Quantenteleportation an dem verschränkten Atom-Photon Paar. Ein Zustand, welcher auf das Photon kodiert wurde, konnte erfolgreich auf den atomaren Spin über eine Entfernung von 5 Metern teleportiert werden. Mit Hilfe der Methoden und Instrumente, welche während dieser Arbeit entwickelt wurden, wird es möglich, zwei Atome über eine große Entfernung zu verschränken. Dazu ist es geplant, zwei separate Atomfallen simultan zu betreiben, um zwei verschränkte Atom-Photon Paare gleichzeitig zu erzeugen. Die Interferenz der Photonen erlaubt dann einen verschränkten Zustand für die zwei Atome zu erhalten, eine Schlüsselvoraussetzung für einen fundamentalen Test der Quantenmechanik, den so genannten Bell Test.
Verschränkung ist eine faszinierende Eigenart der Quantenphysik, die diese beträchtlich von klassischen Konzepten unterscheidet. Einerseits impliziert Verschränkung überraschende philosophische Aspekte, wie die Unvereinbarkeit von lokal-realistischen Theorien mit der Quantenphysik, andererseits kann sie erfolgreich für Aufgaben der Quanteninformation und Quantenkommunikation verwendet werden, um Protokolle im Hinblick auf klassische Prozeduren zu verbessern. Es ist noch immer ein offenes mathematisches Problem, herauszufinden, ob ein Quantenzustand verschränkt ist oder nicht; für einen allgemeinen Zustand auf einem beliebig dimensionalen Hilbertraum gibt es keine operationelle Vorgangsweise. Für reine Zustände und niedrig dimensionale Zweiteilchen-Systeme, z.B. für zwei Qubits, ist dieses Problem gelöst, da berechenbare notwendige und hinreichende Bedingungen für Separabilität (d.h. für Nicht-Verschränktheit) gefunden wurden. Außerdem kann die Verschränkung für ein Zwei-Qubit-System leicht quantifiziert werden. Für höher dimensionale und/oder Mehrteilchen-Systeme wurde in Bezug auf die Bestimmung und Quantifizierung von Verschränkung schon einiges erreicht, allerdings kann das Problem noch nicht als gelöst angesehen werden, vieles ist noch zu erforschen. In dieser Dissertation werden neue Methoden zur Bestimmung und Quantifizierung von Verschränkung für Systeme, die über Zwei-Qubit-Systeme hinausgehen, präsentiert. Zustände solcher Systeme werden üblicherweise durch Dichteoperatoren beschrieben und in Matrix-Schreibweise verwendet. Für hochdimensionale und/oder Mehrteilchen-Systeme können diese Dichtematrizen allerdings sehr unpraktisch werden. Mit Hilfe von Bloch-Zerlegungen können Dichteoperatoren kompakter und einfacher dargestellt werden. In dieser Schreibweise werden Dichteoperatoren in eine vollständige und orthogonale Operatorenbasis des Operatorenraums zerlegt. Für Qubits ist diese Schreibweise geläufig und üblicherweise werden die Pauli-Spin-1/2 Operatoren für die Operatorenbasis verwendet. Für Qudits, das sind Zustände allgemein dimensionaler Systeme, gibt es allerdings keine eindeutige Verallgemeinerung der Pauli-Operatorenbasis. Daher untersuchen wir drei mögliche Operatorenbasen: Die verallgemeinerte Gell-Mann-Operatorenbasis, die Polarisationsoperatorenbasis, sowie die Weyloperatorenbasis. Weiters wird eine Methode präsentiert, mit welcher die Zerlegung eines beliebigen Operators in eine der drei Operatorenbasen mit Hilfe der Zerlegung von sogenannten Standardoperatoren gefunden werden kann. Als Beispiel zur Anwendung dieser Methode betrachten wir den maximal verschränkten Zwei-Qudit Zustand und zerlegen diesen in jede der Operatorenbasen. Im Zusammenhang mit der Bestimmung von Verschränkung sind „Entanglement Witnesses'“ ein wichtiges und oft verwendetes Hilfsmittel. Diese sind Observablen und detektieren die Verschränkung eines Zustandes, sofern sie für diesen einen negativen Erwartungswert aufweisen, und wenn gleichzeitig bekannt ist, dass der Erwartungswert für alle separablen Zustände nicht negativ werden kann. Diese letztere Bedingung ist allerdings im Allgemeinen nicht leicht zu zeigen. In diesem Zusammenhang bietet sich die Verwendung von Bloch-Zerlegungen für vereinfachte Relationen an, und somit kann die Bedingung in vielen Fällen bewiesen werden. Eine besondere Klasse von Entanglement Witnesses sind geometrische Entanglement Witnesses, welche eine direkte euklidisch-geometrische Darstellung des Operatorenraumes erlauben. Die Wichtigkeit dieser Witnesses wird durch „Shift“-Methoden verdeutlicht, welche verschränkte und im Speziellen „bound entangled“ Zustände detektieren können, und außerdem helfen, die Menge der separablen Zustände von konvexen Untermengen von Zuständen zu bestimmen. Als Beispiel betrachten wir eine Drei-Parameter-Familie von Zwei-Qutrit Zuständen. Weiters können geometrische Entanglement Witnesses auch zur geometrischen Quantifizierung von Verschränkung verwendet werden, insbesondere zur Bestimmung des Hilbert-Schmidt Verschränkungsmaßes. Dies wird an den Beispielen der isotropen Zwei-Qudit Zustände und Zwei-Parameter Familien von Zwei-Qubit und Zwei-Qutrit Zuständen gezeigt. Zuletzt widmen wir uns dem Problem der Bestimmung von Verschränkung in Mehr-Qubit Systemen. In diesem Zusammenhang bieten wir eine allgemeine Konstruktion von Entanglement Witnesses unter Verwendung von statischen Strukturfaktoren an. In der Festkörperphysik beschreiben Strukturfaktoren dynamische Eigenschaften von Festkörpern in Streuexperimenten. Die strukturellen Entanglement Witnesses detektieren echte Mehrteilchen-Verschränkung, wie z.B. Dicke-Zustände und Dicke-ähnliche Zustände mit geänderten Phasen der vorkommenden Terme. Sie beinhalten außerdem nur Zwei-Punkt-Korrelationen und sind für die experimentelle Anwendung in verschieden physikalischen Systemen geeignet.
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.