Die Grenzen des digitalen Rechnens

Ed Fredkin

Matthias Homeister

Quantenrechner versprechen ungeahnte Rechenleistung. Quantenverschlüsselungs-Systeme sind sicherer als alle Alternativen. Theoretische Informatiker überdenken die Grundlagen des Rechnens neu - die Forschungen zum Quantencomputer haben die Informatik verändert. Dieses Buch führt anschaulich und auf Beispiele gestützt in die Grundlagen des Quantum Computing ein. Alle wesentlichen Ergebnisse werden detailliert und intuitiv dargestellt. Der Leser erfährt, was er von dieser Technologie erwarten kann und wo ihre Grenzen liegen. Das Besondere an dieser Einführung ist, dass keine speziellen Kenntnisse vorausgesetzt werden. Alle wichtigen Begriffe werden umfassend eingeführt, ein mathematischer Anhang stellt benötigte Grundlagen kurz dar. Die zweite Auflage des erfolgreichen Buches wurde aktualisiert und gründlich durchgesehen.

Max Steck

Friedrich-Schiller-Universität Jena. Multimediazentrum, Krüger, Heidemarie

Photonen sind Quanten des elektromagnetischen Feldes und damit Objekte in der Raumzeit. Ein einzelnes Photon ist durch seine Ausbreitungsrichtung und durch seine Quantenzahl gekennzeichnet. Die Detektion einzelner Photonen in der Quantenphysik ist möglich und wird durch hochempfindliche Detektoren erreicht, die auf quantenmechanischen Effekten basieren. Neueste Entwicklungen der Photonen-Messtechnik mit supraleitenden Nanodraht-Einzelphotonen-Detektoren mit einer Zeitauflösung von wenigen Pikosekunden (ps) ermöglichen nicht nur die Detektion einzelner Photonen, sondern auch die direkte Bestimmung der Quantenzahlen. Das ist von Interesse bei der digitalen sicheren Kommunikation mit einzelnen Photonen, beim optischen Rechnen mit einzelnen Photonen und bei der Bildgebung mit einzelnen Photonen. Dieser Vortrag nimmt Sie mit auf eine Reise in die Welt einzelner und verschränkter Photonen.

Natalie Pearson

The simulation of many-body quantum systems is an extensive field of research which has a large number of applications and has motivated numerous experimental, theoretical and computational studies.It hopes to answer fundamental questions about physical phenomena and aid in the development of new and exciting materials.At the frontiers of research, classical simulations grapple with increasingly large and complex systems which quantum simulators hope to alleviate.Even within quantum simulation there is great diversity as to the hardware used to perform calculations and whether simulations are implemented in an analogue or digital manner.In this thesis we explore elements from across the field.We investigate the limits of classical simulation and the quantum resources that are required to outperform it.We include analysis of the behaviour of errors when the simulation is Trotterised which motivates an alternate perspective for the implications of this scheme.The execution of digital quantum simulation will be implemented on quantum hardware.Here, we present results of experiments on superconducting qubits of both the 'traditional' transmon type and a novel superconductor-semiconductor implementation of the transmon called the gatemon.We explore experiments aimed at increasing the connectivity of these qubits by use of a superconducting bus.A new realisation of these qubits is reported which enables them to be fabricated scalably and Bayesian inference is employed to efficiently characterise superconducting qubits.iii iv Zusammenfassung Die Simulation von Vielkörper-Quantensystemen ist ein umfangreiches Forschungsgebiet, mit einer Vielzahl von Anwendungen, das zahlreiche experimentelle, theoretische und rechnergestützte Studien motiviert hat.Diese zielen auf die Beantwortung grundlegender Fragen physikalische Phänomene ab und man verspricht sich Impulse in der Entwicklung neuer Materialien.Doch die klassischen Simulationen kommen in der aktuellen Forschung bei mit den stets größer und komplexer werdenden Systemen immer öfter an ihre Grenzen.Hier versprechen Quantensimulatoren diese Simulationshürden zu überwinden.Doch auch innerhalb der Quantensimulation gibt es große Unterschiede hinsichtlich der verwendeten Hardware, und ob die Simulationen auf einer analogen oder digitalen Plattform durchgeführt werden.Wir erforschen die Grenzen der klassischen Simulation und die Quantenressourcen, die erforderlich sind, um diese zu übertreffen.Wir schließen hier explizit die Fehleranalyse bei der Trotterisierung der Simulation mit ein, was eine alternative Perspektive für die Auswirkungen dieses Schemas nahelegt.Die Ausführung der digitalen Quantensimulation wird auf Quanten-Hardware implementiert.Hier präsentieren wir die Ergebnisse von Experimenten mit supraleitenden Qubits, sowohl des traditionellenTransmon-Typs als auch einer neuartigen Supraleiter-Halbleiter-Implementierung des Transmons, dem so genannten Gatemon.Wir untersuchen Experimente, die darauf abzielen, die Konnektivität dieser Qubits mit Hilfe eines supraleitenden Busses zu erhöhen.Wir präsentieren eine neue Realisierung dieser Qubits, welche eine skalierbare Herzustellung ermöglicht, und verewnden die Bayes'sche Inferenz Methode um die supraleitenden Qubits effizient zu Charakterisieren.