Multi-qubit entanglement in an ion based quantum processor

Quanteninformationsverarbeitung ist ein expandierender und hochinteressanter Forschungszweig, nicht zuletzt wegen dessen Potential, Probleme zu lösen, für die keine effiziente Lösung auf einem klassischen Computer existieren. Ein Beispiel ist die Primzahlenzerlegung großer Zahlen, ein anderes die Simulation quantenmechanischer Systeme. Ersteres ermöglicht die Dechiffrierung von vielen der heute existierendenVerschlüsselungsmethoden, letzteres verspricht, zum Beispiel die Entwicklung von Hochtemperatursupraleitern voranzutreiben. Beide Beispiele illustrieren, dass die Realisation eines genügend großen Quantencomputers weitreichende Auswirkungen auf unsere Gesellschaft haben wird. Desweiteren ist die Erforschung der Verschränkung, jene quantenmechanischen Eigenschaft, die das Funktionieren eines Quantencomputers erst ermöglicht, von großer wissenschaftlicher Bedeutung, weil sie uns den Übergang zwischen klassischer Physik und Quantenphysik besser verstehen lehrt. Einzelne gefangene Ionen, die als "Quantenbits" agieren und durch Laserlicht manipuliert und ausgelesen werden, sind ein vielversprechender Kandidat für die Realisierung eines solchen Computers, und der experimentelle Fortschritt der letzten Jahre ist bemerkenswert. Es wurden nicht nur alle notwendigen Elemente eines Quantencomputers demonstriert, sondern auch fortgeschrittene "Quantenprogramme" wie die Teleportation wurden realisiert. Dennoch stehen der Realisierung eines anwendungsfähigen Quantencomputers noch einige Hürden entgegen. Das Hauptproblem ist die Vergrößerung der Anzahl der Quantenbits bei gleichzeitiger Erhaltung der Verschränkung für eine genügend lange Zeit, um auch komplexe Algorithmen auszuführen. Deshalb ist dieses Projekt darauf ausgerichtet, die Verschränkungseigenschaften einer wachsenden Anzahl von Quantenbits zu untersuchen, und gleichzeitig experimentelle Verfahren zu entwickeln, um skalierbare Quantencomputer zu ermöglichen. Ein Beispiel dafür ist der Austausch von Verschränkung, der den Transport von Quanteninformation in einem größeren Quantencomputer ermöglichen kann. Ein anderes ist die Beschäftigung mit sogenannten dekoheränzfreien Unterräumen, wo ein Quantenbit so in zwei Ionen gespeichert wird, dass Quanteninformation länger gespeichert werden kann. Ein wichtiger Teil dieses Projekts werden auch technische Verbesserungen des Innsbrucker Quantencomputers sein, die für die Ausführung der geplanten Experimente unabdingbar sind.