Quanteninformationsverarbeitung mit Circuit QED

Der enorme Fortschritt in den experimentellen Möglichkeiten zur Manipulation von atomaren, molekularen, halb- und supraleitenden Quantensystemen in den letzten Jahren zeugt vom Be-ginn einer neuen Ära sowohl in der Physik als auch in der Technik. Insbesondere die Informati-onstechnologie ist geprägt von der Erforschung und Entwicklung von Schaltungen auf stetig kleineren Skalen bis in den Nanometer-Bereich. Durch diese Entwicklung rückt die Vision eines Quantencomputers auf der Basis von Zwei-Niveau Quantensystemen (Qubits) zur Beschleunigung gewisser numerischer Problemstellungen in immer greifbarere Nähe. Die Entwicklung von Qubits in Festkörpern scheint bezüglich der Verfügbarkeit von geeigneten Herstellungsprozessen aus der Halbleiter- Industrie und der möglichen Skalierbarkeit in Hinblick auf Quantenregister mit mehreren Quantenbits als besonders vielversprechend. Supraleitende Schaltungen stehen hier im Mittelpunkt des Forschungsinteresses und jüngst gelang es supraleitende Qubits an einen planaren Mikrowellenresonator zu koppeln. Dieser neuartige Zugang - als Circuit Quantenelektrodynamik bezeichnet - ermöglicht schnelle Operationszeiten im Nanosekunden-Bereich durch die kohärente Wechselwirkung des supraleitenden Schaltkreises mit einzelnen Photonen im Resonator und gleichzeitig eine effizienten Abschirmung von äußeren Störeinflüssen mit Kohärenzzeiten im Bereich von Mikrosekunden. Experimente zur Kopplung von zwei räumlich separierten weisen den Weg hin zu skalierbaren multi-Qubit Schaltkreisen und zeigen die weiterhin zunehmende Bedeutung dieses rasant wachsenden Forschungsgebiets. Das Ziel dieses Projektes besteht in der Implementierung eines Quantenalgorithmus basierend auf einer multi-Qubit Circuit-QED Architektur. Da selbst simple Algorithmen eine Sequenz von mehreren Einzel- und Zwei-Qubit Operationen (Quantengattern) benötigen, müssen zuverlässige Manipulationstechniken entwickelt werden, deren Präzision hoch genug ist um geeignete Operationssequenz innerhalb der zur Verfügung stehenden Kohärenzzeit abzuarbeiten. Tat-sächlich ist weder die Wahl eines geeigneten Satzes von Quantengattern noch die physikalische Realisierung desselben eindeutig. Verschiedene Möglichkeiten werden quantitativ untersucht, z. B. geometrische Gatter, um eine optimale Anordnung von Operationen zur Herstellung von beliebigen verschränkten Quantenzuständen in Bezug auf Geschwindigkeit und Genauigkeit zu finden. Zur Charakterisierung sowohl der Gatter als auch der erzeugten Zustände wird die Methode der Quantenzustandstomographie eingesetzt und zur Optimierung des Signal-Rausch-Verhältnisses außerdem die Signalauslese verbessert. Während supraleitende Qubits hervorra-gend der schnellen Manipulation von Qubits dienlich sind, eignen sich andere Quantensysteme, wie zum Beispiel Rydberg Atome, aufgrund ihrer langen Kohärenzzeiten besser als Speicher von Quanteninformation. Es ist daher naheliegend über potentielle Schnittstellen und hybride Sys-teme nachzudenken, die die Vorteile beider Spezies vereinen. Die herausragende Kompetenz des Gastgebers auf dem Gebiet der Quantenmechanik mit supraleitenden Schaltkreisen - ersichtlich an dessen maßgeblichen Pionierarbeiten - zusammen mit den Kenntnissen des Antragstellers in theoretischer und experimenteller Quantenmechanik garantiert eine produktive Durchführung des Projekts. Die daraus gewonnenen Einsichten und Erfahrungen mit supraleitenden Qubits sind schlussendlich von größtem Wert für den Fortschritt der Forschung in der Physik in Österreich mit dem derzeit starken Fokus auf Quantenoptik mit verschiedensten anderen Systemen.