Quantencomputer – Präzise Kontrolle über die Welt der Quanten

Ehrhard Behrends

Ehrhard Behrends

Niko Mohr, Ivan Ostojic, Anna Heid +2 more

Olsacher, Tobias Florian

Im letzten Jahrzehnt haben wissenschaftliche Fortschritte in Bereichen wie Quantensimulation, Quantenkommunikation, Quantensensorik und Quantencomputing zu stark steigendem Interesse an der Kommerzialisierung von Quantentechnologien geführt. Die vorgeschlagenen Anwendungen von Quantentechnologien sind vielfältig und reichen von abhörsicheren Kommunikation-Protokollen, über die Entwicklung neuartiger Materialien, bis hin zur Lösung komplexer Optimierungsprobleme. Ein entscheidender Faktor für die Weiterentwicklung von Quantentechnologien ist die präzise Charakterisierung und Kontrolle der Quanten Vielteilchensysteme, die einem gegebenen Quantengerät zugrunde liegen. Hierbei umfasst der Prozess der Charakterisierung sowohl die Verifikation der korrekten Funktionsweise des Gerätes als auch das Identifizieren der dominierenden Fehlerquellen. Kontrolle bezieht sich hingegen auf Strategien die die Durchführung von präzisen Quantenoperationen trotz fehlerbehafteter Hardware und unkontrollierter Umgebungseinflüsse ermöglichen. In der Praxis stellt man fest, dass Charakterisierung und Kontrolle eng miteinander verbunden sind, wobei eine genauere Charakterisierung eine bessere Kontrolle ermöglicht und umgekehrt. Beispielsweise ermöglicht die aus der Charakterisierung gewonnene Information die Implementierung von speziell zugeschnittenen Protokollen zur Fehler-Unterdrückung. Andererseits sind präzise Quantenoperationen eine Voraussetzung für die Implementierung fortschrittlicher Charakterisierungsprotokolle. Die in dieser Dissertation vorgestellten wissenschaftlichen Veröffentlichungen leisten Beiträge zur Charakterisierung sowie zur Kontrolle von Quanten Vielteilchensystemen. In diesem Kontext beschäftigen sich Arbeiten [2,3] auf die Charakterisierung digitaler Quantensimulatoren. Dazu stellt Arbeit [2] eine Methode vor, um den effektiv implementierten Hamiltonian in einem digitalen Quantensimulations Experiment als Funktion der Größe des gewählten Zeitschritts der Trotter-Suzuki-Zerlegung zu lernen. Darüber hinausgehend nutzt Arbeit [3] diese Lernmethode, um den Zusammenbruch digitaler Quantensimulations Protokolle bei großen Zeitschritten zu untersuchen. Insbesondere zeigt sich, dass dieser Zusammenbruch mit einem plötzlichen Übergang von regulärer zu chaotischer Dynamik im zugrundeliegenden Quanten Vielteilchensystem verbunden ist. Ergänzend dazu konzentriert sich Arbeit [4] mit der Charakterisierung schwach dissipativer Quanten Vielteilchensysteme, wie sie typischerweise im Kontext von analogen Quantensimulations Experimenten realisiert werden. Schließlich konzentriert sich Arbeit [1] auf die Kontrolle von Quanten Vielteilchensystemen im Kontext von Quantencomputing mit gefangenen Ionen. Genauer wird hier eine Methode zur Implementierung von stark parallelisierten, hoch-präzisen Verschränkungs-Gattern in eindimensionalen Ionenketten vorgestellt, die insbesondere auch in Systemen mit vielen Ionen anwendbar ist.

Derk Frerichs-Mihov, Stephan Beirer

S. Haroche

Abstract In einem supraleitenden Resonator gefangene Mikrowellen‐Photonen stellen ein ideales System dar, um die Gedankenexperimente der Gründerväter der Quantenmechanik zu verwirklichen. Die Wechselwirkung dieser gefangenen Photonen mit Rydberg‐Atomen, die den Resonator passieren, veranschaulicht fundamentale Aspekte der Messtheorie. Die Experimente, die mit diesem “Photonenkasten” an der Ecole Normale Supérieure (ENS) durchgeführt werden, gehören dem als “Resonator‐Quantenelektrodynamik” (“Cavity Quantum Electrodynamics”) bezeichneten Gebiet der Quantenoptik an. Uns gelang die zerstörungsfreie Zählung von Photonen, die Erfassung von einzelnen Quantensprüngen des Feldes, die Präparation und Rekonstruktion von “Schrödingerkatzen‐Zuständen” von Photonen sowie die Untersuchung ihrer Dekohärenz, was eine bemerkenswerte Veranschaulichung des Übergangs von der Quanten‐ zur klassischen Welt bietet. Die Experimente haben ebenfalls zur Demonstration grundlegender Schritte der Quanteninformationsverarbeitung geführt, darunter die deterministische Verschränkung von Atomen und die Verwirklichung von Quanten‐Gattern unter Verwendung von Atomen und Photonen als Quanten‐Bits. Dieser Vortrag beginnt mit einer Einführung, die die Verbindung zwischen dem Photonenkasten an der ENS und den Experimenten mit Ionenfallen von David Wineland hervorhebt, dessen begleitender Vortrag einen Überblick über seinen eigenen Beitrag auf dem Gebiet der Kontrolle einzelner Teilchen bietet. Ich werde anschließend einen persönlichen Einblick in die Frühzeit des Gebiets der Resonator‐Quantenelektrodynamik geben, bevor ich die wichtigsten Experimente beschreibe, die in den letzten zwanzig Jahren an der ENS durchgeführt wurden. Der Vortrag endet mit einer Diskussion, die unsere Arbeit mit jener anderer Wissenschaftler vergleicht, die sich mit der Kontrolle einzelner Quantenteilchen beschäftigen.