Quanteninformationsverarbeitung mit komplexen Medien (Quomplex)

Die am weitesten entwickelten Quantentechnologien basieren zu einem großem Teil auf der Fähigkeit Quantenzustände des Lichts zu manipulieren. Von Verschränkungstausch bis hin zu Bosonen-sampling: linear optische Geräte, wie Strahlenteiler und integrierte photonische Schaltkreise, sind essenziell für Schlüsselaufgaben in der Quantenkommunikation und im Quantencomputer. Komplexe Quantenzustände des Lichts zu kontrollieren bleibt hingegen ein Herausforderung: Gegenwärtige Zugänge sind entweder verunmöglichend Komplex oder zu verlustreich für praktische Realisierung. Im Projekt Quomplex schlagen wir einen alternativen Zugang für diese Aufgabe vor. In den letzten Jahren wurden Techniken entwickelt die eine noch zuvor dagewesene Kontrolle über Lichtpropagation durch komplexe Medien ermöglicht. Solche Medien sind analog zu einem komplexen Netzwerk von optischen Elementen, dessen Kontrolle zu aufregenden neuen Möglichkeiten für biomedizinische bildgebende Verfahren und klassische Kommunikation geführt hat. In diesem Projekt wollen wir das transformative Potential von komplexen Medien für die Quanteninformationsverarbeitung nutzen. Durch vorsichtige Kontrolle des Vielphotonenstreuprozesses werden wir komplexe Medien als vielmodige lineare optische Netzwerke für die Erzeugung, Manipulation und den Transport von komplexen Quantenzuständen des Lichts verwenden. Auf diese Art, zielen wir darauf ab die Probleme der Kontolle und Skalierbarkeit, die Normalerweise in Quantennetzwerken auftreten zu überwinden und damit die Grenze der Rauschresistenz und Kapazität zu erweitern. In dem Projekt Quomplex werden wir zuerst die Lichtpropagation durch komplexe Medien, wie zum Beispiel Vielmodenfasern, theoretisch analysieren und Computeralgorithmen für dessen Kontolle und Manipulation entwickeln. Dann werden wir diese Techniken im Experiment verwenden um hochdimensionale quantenlogische Gatter zu entwerfen und generalisierte Vielmodennetzwerke für die Erzeugung von komplexer Vielteilchenverschränkung zu realisieren. Schlussendlich werden diese Werkzeuge dann verwenden um gerätunabhängige Quantenkommunikationsprotokolle in komplexen Medien zu demonstrieren und rauschresistente Tests der Quantenmechanik durchzuführen.

Die Kontrolle eines verschränkten Lichtzustandes ist eine äußerst anspruchsvolle Aufgabe in der Quantenoptik. Um selbst die einfachsten dieser Zustände zu manipulieren, werden verschränkte Photonen über eine Reihe optischer Elemente, wie Spiegel und Strahlenteiler, auf komplizierte Weise kombiniert. Mit zunehmender Komplexität dieser Zustände wird auch das Netz der zu ihrer Erzeugung erforderlichen Elemente ziemlich groß. Jedes Element eines solchen Netzwerks muss zudem noch genau kontrolliert werden, was für Quantenphysiker eine schwierige Herausforderung darstellt. Wenn ein Lichtstrahl auf eine Farbschicht oder einen Zuckerwürfel trifft, durchläuft er Millionen von Reflexionen und Umwandlungen. Solche Alltagsgegenstände sind einem komplexen Netzwerk optischer Elemente erstaunlich ähnlich, mit dem Unterschied, dass jede Information, die durch sie übertragen wird, normalerweise verloren geht. In den letzten Jahren haben jedoch Fortschritte in der Technologie zur Formung der Wellenfront des Lichts in, Verbindung mit schnellen Berechnungsalgorithmen, zu einer beispiellosen Kontrolle darüber geführt, wie sich das Licht durch solche ungeordneten Medien ausbreitet. Mit diesen Techniken ist es Wissenschaftlern gelungen, ein ganzes Bild durch eine Glasfaser von der Dicke eines menschlichen Haares zu schicken! Das FWF-Projekt "QuompleX" macht sich das Potenzial ungeordneter Medien als Miniatur-"Quantenoptik-Labore" zunutze, um große, komplexe verschränkte Lichtzustände zu manipulieren und zu transportieren. Durch die sorgfältige Kontrolle der Quantenzustände von Photonen, die in solche Medien eindringen, können die Millionen von Streuungsereignissen, die normalerweise ihre Quanteninformation verwirren würden, stattdessen für die Manipulation genutzt werden! Auf diese Weise können komplexe Streumedien dieselbe Funktion erfüllen wie große Netze aus optischen Quantenelementen, wobei das Problem der Kontrolle und Skalierbarkeit, das solche Netze normalerweise plagt, überwunden wird. Das Projekt konzentrierte sich auf eine bestimmte Art von Streumedium, die so genannte Multimode-Faser (MMF), die häufig in Hochgeschwindigkeits-Internetverbindungen verwendet wird. Im Rahmen des Projekts wurden zunächst Methoden zur effizienten Messung komplexer Quantenzustände des Lichts entwickelt, die in vielen "Dimensionen" oder Ebenen verschränkt sind, und es wurde gezeigt, dass sie große Mengen an Rauschen tolerieren können, welches normalerweise die Verschränkung zerstören würde. Anschließend wurde im Rahmen des Projekts zum ersten Mal der Transport solcher hochdimensionalen verschränkten Zustände durch eine Multimode-Faser demonstriert, was einen Weg zu künftigen leistungsfähigen und rauschresistenten Quantenkommunikationsnetzen eröffnet. Schließlich wurden im Rahmen des Projekts, Algorithmen des maschinellen Lernens für die Kontrolle komplexer Quantenzustände des Lichts mit Hilfe von in komplexen Streumedien programmierten Quantenschaltungen entwickelt, die derzeit zur Manipulation der Verschränkung im Labor eingesetzt werden.