Eine der wichtigsten Ressourcen für optische Quantencomputer und Quantenrepeater sind photonische Clusterzustände, die aus vielen, auf eine bestimmte Art miteinander verschränkten Lichtteilchen bestehen. Ein wesentlicher Baustein für die Erzeugung beliebig großer Clusterzustände und damit der Skalierbarkeit photonischer Quantencomputer sind sogenannte angekündigte Greenberger‐Horne‐Zeilinger‐(GHZ‐) Zustände mit drei verschränkten Photonen. Nun ist es an der Universität Wien zum ersten Mal gelungen, eben solche angekündigten GHZ‐Zustände zu erzeugen.
Eine der wichtigsten Ressourcen für optische Quantencomputer und Quantenrepeater sind photonische Clusterzustände, die aus vielen, auf eine bestimmte Art miteinander verschränkten Lichtteilchen bestehen. Ein wesentlicher Baustein für die Erzeugung beliebig großer Clusterzustände und damit der Skalierbarkeit photonischer Quantencomputer sind sogenannte angekündigte Greenberger‐Horne‐Zeilinger‐(GHZ‐) Zustände mit drei verschränkten Photonen. Nun ist es an der Universität Wien zum ersten Mal gelungen, eben solche angekündigten GHZ‐Zustände zu erzeugen.
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.
Zusammenfassung Photonen gehören zu den vielversprechenden Quantensystemen, die einen universellen Quantencomputer ermöglichen. Ihre besonderen Eigenschaften, wie Mobilität und der bosonische Charakter, erlauben leistungsstarke Quantenprozessoren für spezielle Anwendungen. Als prominentes Beispiel gilt das Bosonensampeln, mit dem die Quantenüberlegenheit eines Quantencomputers demonstriert wurde. Größte Herausforderungen für die Entwicklung universell anwendbarer photonischer Quantencomputer sind eine effiziente Erzeugung von Einzelphotonen sowie ein stabiles, verlustarmes Prozessieren von Multiphotonen‐Zuständen. Zur Skalierbarkeit photonischer Quantencomputer trägt der rasante Fortschritt bei integrierten optischen Bauteilen bei. Das ermöglicht eine komplette Verarbeitung von Quanteninformation auf einem nanophotonischen Prozessor. Es gibt bereits vielseitige Demonstrationen von möglichen Anwendungen solcher Prozessoren in optischen Quantencomputern. Sie reichen vom maschinellen Lernen bis zur sicheren Datenverarbeitung in Computernetzwerken.
Fur die Realisierung von echten Quantencomputern und Quantennetzwerken uber die vorhandenen einfachen Laborsystem hinaus, muss die Zahl der Quantenbits (Qubits) und der notwendigen Kontrollsysteme drastisch erhoht werden. Dies wird es Quantencomputern ermoglichen bestimmte wichtige Probleme um ein vielfaches schneller zu losen als ihre klassischen Pendants. In der vorliegenden Arbeit wird es darum gehen experimentelle Grundlagen zu schaffen fur diese Skalierung von einfachen Quantensystemen hin zu photonischen Clusterzustanden.
In der Vergangenheit wurde fur die Verschrankung von Photonen die spontane parametrische Fluoreszenz (SPDC) Technik verwendet. Diese arbeitet mit nicht-linearen Kristallen zur Photonenverschrankung, allerdings ist diese Technik aufgrund ihrer„spontanen“ zufalligen Natur nur schwer zu skalieren. Dieses Problem wird in dieser Arbeit dadurch umgangen, dass ein alternativer Ansatz mit sequenziell arbeitenden Einzelphotonenquelle (SPE) benutzt wird. Hierdurch wird eine Kette aus verschrankten Photonen erzeugt. Diese Arbeit beschreibt die Weiterentwicklung vom SPDC Ansatz zur SPE basierten Photonenerzeugung anhand von mehrerer Experimente.
Zuerst wird eine SPDC-Quelle benutzt, um einen 4-Qubit Clusterzustand zu erzeugen. Dieser wird dann benutzt um eine messungsbasiert- Quantenfehlerkorrektur durchzufuhren. Hierfur wird ein logisches Qbit in einem Clusterszustand gespeichert, dass danach Umgebungseinflussen ausgesetzt wird. Anschliesend wird das logische Qubit aus dem Clusterzustand rekonstruiert. Dies demonstriert die Moglichkeit von messungs-basiertem Quantencomputing in einem realistischen Szenario.
Anschliesend wird in dieser Arbeit ein SPE basiertes Verschrankungsprotokoll vorgestellt. Dieses basiert auf nur einem einzigem optischen Ubergang und einem asymmetrischen Interferometer mit zwei unterschiedlich langen Armen. Der optische Ubergang wird benutzt um ein photonisches Qubit zu erzeugen. Dieser Prozess wird kontinuierlich wiederholt. Das Interferometer dient nun dazu die zeitlichen Unterschiede auszugleichen und zwei hintereinander erzeugte Qubits zu verschranken und in einer polarisieren Basis auszugeben. Quantentomographie wird anschliesend durchgefuhrt, um die Quantennatur des Prozesses aufzuzeigen.
Die Grundbausteine des vorgeschlagenen Protokolls werden in dieser Arbeit vorgestellt und die experimentellen Details diskutiert. Das benutzte Quantensystem ist das Stickstoff-Fehlstellen-Zentrum (NV Centre); dieses wird als Einzelphotonenquelle benutzt. Leider war es nicht moglich mit dem derzeitigen Experiment Photonenzustande mit mehr als zwei Photonen herzustellen. Der Grund hierfur war die hohe experimentelle Verlustrate der Photonen und die starken Phononen-Seitenbander des NVs. In Zukunft werden wir versuchen dieses Problem mithilfe eines NVs zu uberwinden, das den Purcell Effekt nutzt. Dies wird uns eine deutlich hoherer Sammeleffizienz ermoglichen und Verluste minimieren. Dadurch wird es moglich werden Clusterzustande mit hunderten von Photonen aufzubauen. Ein weiterer Schritt ist die Erweiterung auf mehrere SPEs die parallel operieren, was es ermoglichen wurde 3-dimensionale Clusterszustande zu realisieren. Dies sollte zu einer deutlichen Erhohung der Fehlertoleranz von Quantenzustanden beitragen.
Zusammenfassung Wir befinden uns derzeit auf dem spannenden Weg vom einzelnen Quantensystem zu gut kontrollierten, großen Quanten‐Vielteilchensystemen. Die Suche nach Systemen und Methoden, die eine solche Skalierung ermöglichen, ist eine enorme Herausforderung. Ein vielversprechender Weg sind mit optischen Pinzetten manipulierbare Atomketten. Mit einem akustooptischen Deflektor, der über einen Mix aus Radiofrequenzsignalen angesteuert wird, kann man viele optische Pinzetten in einer Reihe zugleich erzeugen. In einer Hochvakuumzelle lassen sich somit ultrakalte Atome fangen und zu einer Kette anordnen. Durch Anregung in stark polarisierbare Rydberg‐Zustände kann man die gefangenen Atome miteinander wechselwirken lassen. Die Atomketten dienen als Quantensimulatoren und erlauben es, grundlegende Effekte wie Quantenphasenübergänge zu untersuchen. Ein Ziel ist es, Quantentechnologien weiter zu entwickeln und Quantencomputer zu realisieren. Systeme mit rund 50 Quantenbits sind bereits demonstriert worden.
Abstract Quantennetzwerke und lange quantenoptische Übertragungsstrecken benötigen Quantenrepeater, deren wesentliche Komponenten Quantenspeicher sind. Sie erlauben, verschränkte Photonen (genauer: deren Quantenzustände) für eine gewisse Zeit zu speichern und kontrolliert wieder auszulesen. Die Kombination eines mit Thulium dotierten optischen Wellenleiters in Lithiumniobat als Speichermedium mit einem kürzlich entwickelten Quantenspeicherprotokoll und einer neuen, schmalbandigen Photonenpaarquelle hat es uns erstmalig ermöglicht, Quantenzustände reversibel von verschränkten Photonen auf einen Kristall zu übertragen. Ähnliche Ergebnisse, aber mit einem anderen Speichermedium, berichtete zeitgleich ein Forscherteam der Universität Genf.
Quantennetzwerke versprechen eine Reihe aussichtsreicher Anwendungen, von Experimenten zu den Grundlagen der Quantenmechanik bis hin zum Zusammenschalten mehrerer Quantencomputer. Quanteninformation kann dabei mit Lichtteilchen über Glasfasern und einer optischen Schnittstelle zwischen lokalen Netzwerkknoten ausgetauscht werden. Unserem Team am niederländischen Forschungsinstitut QuTech ist es nun gelungen, mittels einer Spiegelkavität die optische Schnittstelle eines Farbzentrums zu verbessern und damit einen Schritt in Richtung leistungsfähigerer Quantennetzwerke zu machen.