Verschränkungsreinigung in Quanteninformationsverarbeitung

Die kontrollierte Manipulation von Quanteninformation ermöglicht eine Reihe von vielversprechenden Anwendungen, von sicherer Kommunikation über die Simulation von beliebigen Quantensystemen bis hin zur Implementierung von Algorithmen auf Quantencomputern, welche die Lösung bestimmter Probleme mit einem (exponentiellen) Geschwindigkeitsgewinn gegenüber klassischen Computern erlauben. All diese Anwendungen basieren auf der Verwendung von einzigartigen Eigenschaften von Quantensystemen - wie z.B. Verschränktheit-, welche kein Gegenstück in der klassischen Physik besitzen. Verschränkung steht im Zentrum vieler dieser Anwendungen and kann als fundamentale Ressource für Quanteninformationsverarbeitung betrachtet werden. Die Erzeugung von (verschiedenen) reinen verschränkten Zuständen ist deshalb eine zentrale Aufgabe der Quanteninformationsverarbeitung. Verschränkungsreinigung -ein Prozess bei dem aus vielen schwach verschränkten Zuständen wenige stark verschränkte erzeugt werden- ist eine Möglichkeit dieses Ziel zu erreichen. In letzter Zeit ist klar geworden, dass Verschränkungsreinigung nicht nur im Zusammenhang mit Quantenkommunikation nützlich ist, sondern eine viel weitreichendere Perspektive bietet, mit potentiellen Anwendungsmöglichkeiten z.B. in fehlertoleranten Quantenrechnern und Quantensimulatoren. Dieses Forschungsprojekt beschäftigt sich mit verschiedenen Aspekten der Verschränkungsreinigung. Bestehende Protokolle sollen im Bezug auf ihre Implementierung unter realen Bedingungen untersucht werden. Die erreichbare Güte, Fehlerschranken für die Kontrolloperationen für allgemeine Fehlermodelle und die erreichbare (adäquat definierte) Effizienz sollen analysiert werden. Die Grundvoraussetzungen für die Implementierung eines Verschränkungsreinigungsprotokolls sollen untersucht, und basierend auf diesen Erkenntnissen sollen neue Protokolle für die Reinigung anderer Vielteilchenzustände entwickelt und mit Bezug auf die erreichbare Effizienz und/oder Güte optimiert werden. Das Konzept von "Reinigung" soll in einem allgemeineren Zusammenhang behandelt werden, z.B. die Reinigung von (nicht-lokalen) Unterräumen, die Reduktion von klassischen Korrelationen zwischen Paaren von (nicht-lokalen) gemischten Zuständen sowie die Reinigung von Grundzuständen von Hamilton-Operatoren bestimmter Wechselwirkungen. Möglich Anwendungen von Verschränkungsreinigung für fehlertolerantes Quantenrechnen, Quantenfehlerkorrektur, Quantensimulation und sichere Vielparteienkommunikation und sollen untersucht werden.

Die kontrollierte Manipulation von Quanteninformation ermöglicht eine Reihe von vielversprechenden Anwendungen, von sicherer Kommunikation über die Simulation von beliebigen Quantensystemen bis hin zur Implementierung von Algorithmen auf Quantencomputern, welche die Lösung bestimmter Probleme mit einem (exponentiellen) Geschwindigkeitsgewinn gegenüber klassischen Computern erlauben. All diese Anwendungen basieren auf der Verwendung von einzigartigen Eigenschaften von Quantensystemen - wie z.B. Verschränktheit-, welche kein Gegenstück in der klassischen Physik besitzen. Verschränkung steht im Zentrum vieler dieser Anwendungen and kann als fundamentale Ressource für Quanteninformationsverarbeitung betrachtet werden. Die Erzeugung von (verschiedenen) reinen verschränkten Zuständen ist deshalb eine zentrale Aufgabe der Quanteninformationsverarbeitung. Verschränkungsreinigung -ein Prozess bei dem aus vielen schwach verschränkten Zuständen wenige stark verschränkte erzeugt werden- ist eine Möglichkeit dieses Ziel zu erreichen. In letzter Zeit ist klar geworden, dass Verschränkungsreinigung nicht nur im Zusammenhang mit Quantenkommunikation nützlich ist, sondern eine viel weitreichendere Perspektive bietet, mit potentiellen Anwendungsmöglichkeiten z.B. in fehlertoleranten Quantenrechnern und Quantensimulatoren. Dieses Forschungsprojekt beschäftigt sich mit verschiedenen Aspekten der Verschränkungsreinigung. Bestehende Protokolle sollen im Bezug auf ihre Implementierung unter realen Bedingungen untersucht werden. Die erreichbare Güte, Fehlerschranken für die Kontrolloperationen für allgemeine Fehlermodelle und die erreichbare (adäquat definierte) Effizienz sollen analysiert werden. Die Grundvoraussetzungen für die Implementierung eines Verschränkungsreinigungsprotokolls sollen untersucht, und basierend auf diesen Erkenntnissen sollen neue Protokolle für die Reinigung anderer Vielteilchenzustände entwickelt und mit Bezug auf die erreichbare Effizienz und/oder Güte optimiert werden. Das Konzept von "Reinigung" soll in einem allgemeineren Zusammenhang behandelt werden, z.B. die Reinigung von (nicht-lokalen) Unterräumen, die Reduktion von klassischen Korrelationen zwischen Paaren von (nicht-lokalen) gemischten Zuständen sowie die Reinigung von Grundzuständen von Hamilton-Operatoren bestimmter Wechselwirkungen. Möglich Anwendungen von Verschränkungsreinigung für fehlertolerantes Quantenrechnen, Quantenfehlerkorrektur, Quantensimulation und sichere Vielparteienkommunikation und sollen untersucht werden.