Hybrid-Quanteninformationsverarbeitung unter Rauschen

Quanteninformationsverarbeitung verspricht praktische Anwendungen im Bereich der Quantenkommunikation und Quantenrechnern mit bisher undenkbarer Rechenleistung und beweisbar sicherer Nachrichtenübertragung. Um dies tatsächlich nutzen zu können ist es notwendig, den zerstörerischen Einfluss von Dekohärenz und Rauschen zu überwinden. Mit Quantenfehlerkorrekturund Verschränkungsreinigung wurdenzweiWerkzeuge entwickelt, die den Schutz der Quanteninformation gegenüber Rauschen gewährleisten. Allerdings sind die Voraussetzungen an Genauigkeit der Operationen sowie den notwendigen Overheads sehr streng. Für praktische Anwendungen ist es deshalb von zentraler Bedeutung, optimierte Zugänge mit minimalen Overheads bzw. großen tolerierbaren Fehlerraten zu finden, sowie neue Ansätze zu verfolgen. Die Verwendung vonmessungsbasiertenElementenin der Quanteninformationsverarbeitung ist ein solcher Ansatz. Im Gegensatz zum üblicherweise verwendeten Gatterbasierten Zugang werden elementare Bausteine wie z.B. Schaltkreise zur Dekodierung oder codierte (logische) Gatter auf messbasierte Weise realisiert, ohne der Notwendigkeit möglicherweise schwierig zu implementierende kohärente Gatter zu verwenden. Verschränkte Zustände können dabei bereits im Vorfeld präpariert und dann zur Informationsverarbeitung durchMessungen verwendet werden. Diewichtigste Herausforderung in diesem Zusammenhang ist die Herstellung dieser Ressourcenzustände, wobei kürzlich gefundene Resultate darauf hindeuten, dass dieser Zugang einen signifikanten Vorteil in Bezug auf tolerierbare Fehlerraten aufweist. In diesem Projekt wird die Verwendung von solchen messungsbasierten Elementen in Hybrid-Schemen für Quantenkommunikation und Quantenrechnen unter dem Einfluss von Rauschen und Dekohärenz untersucht, wobei diese in einem optimierte Weise mit Elementen des Gatterbasierten Zugangs kombiniert werden. Im Detail sollen folgende Arbeiten durchgeführt werden: Untersuchung und Analyse von verschiedenen Schemata zur langreichweitigen Quantenkommunikation unter Verwendung von messungsbasierten Elementen. Vorschläge und Analyse zur Verwendung von messungsbasierten Elementen in fehlertolerantem Quantenrechnen, inklusive Rechtfertigung von Fehlermodellen, Analyse von Fehlerschranken und Anwendbarkeit mit limitierten Ressourcen. Design und Untersuchung von messungsbasierten Protokollen zur Reinigung von verschränktenundmagischen Zuständen, Quantenkryptographie(inkl. Sicherheitsbeweis), und für weitere Quanteninformationsanwendungen. Untersuchung vonoptimierten Umsetzungen vonmessungsbasierter Quantenfehlerkorrektur, Verschränkungsreinigungund weiteren Anwendungen im Bereich von Quantennetzwerken, sowie deren Realisierung mit Ionen und Photonen. 1

Die Quanteninformationsverarbeitung verspricht neuartige Möglichkeiten durch die AusnutzungvoneinzigartigenQuanteneigenschaften, die über klassische Informationsverabeitunghinausgehen. UmallerdingsAnwendungenwir Quantenkryprographie oder Quantenmetrologie in der Praxis zu realisieren muss der Einfluss von Rauschen und Dekohärenz auf derartige Systeme überwunden werden. In diesem Projekt haben wir für unterschiedliche Anwendungen wie Quantenrechnen, Quantenkommunikation und Quantenmetrologie den Einfluss von Imperfektionen und Rauschen untersucht, und Möglichkeiten entwickelt, die fragile Quanteninformation vor diesen Einflüssen zu schützen. Ein zentrales Element ist dabei ein messbasierter Ansatz zur Quanteninformationsverarbeitung, bei dem ein verschränkter Zustand als Ressource verwendet wird. Dieser Zugang verspricht eine signifikant höhere Fehlertoleranz (bis zu 10% pro Teilchen) und eröffnet neuartige Möglichkeiten. Die wichtigsten Resultate unserer Untersuchungen umfassen unterschiedliche Gebiete: Quantencomputer Wirhaben Rechenschema mit hoher Fehlertolleranz gefunden und gezeigt, dass die notwendigen Ressourcenzustände effizient mittels Verschränkungsreinigung herstellbar sind und dem verwendeten Fehlermodell entsprechen. Quantenkommunikation & Quantennetzwerke Wir haben eine neuartige Methode zur Kommunikation von großen Datenmengen über große Entfernungen gefunden, wobei die notwendigen Ressourcen (im Gegensatz zu allen bisherigen Zugängen) nicht mit der Entfernung skalieren. Wir haben uns mit dem Design von verschränkungsbasierte Quantennetzwerken beschäftigt, und effiziente Methoden zur Erzeugung der notwendigen Ressourcenzustände mittels 2D-repeater vorgeschlagen. Dies Ansätze könnten zentral für die Entwicklung eines zukünftigen Quanteninternets sein. WirhabenvereinfachteSicherheitsbeweisefür Quantenkryptographie und eine Erweiterung für Quantenkanälen gefunden, die auf der Verwendung von Verschränkungsreinigung beruhen. Quantenmetrologie Wirhaben die Auswirkung von Rauschen und Dekohärenz auf Quantenmetrologie Protokolle untersucht und ultimative Limits dafür gefunden. Obwohl im allgemeinen die bessere Quantenmechanische Skalierung verschwindet konnten wir zeigen, dass schnelle Kontrolle und Fehlerkorrektur erlaubt, in vielen relevanten Bereichen einen signifikanten Quantenmechanischen Vorteil trotz Rauschen beizubehalten. Limitierungen für Quanteneffekte in makroskopischen Systemen Wir haben gezeigt, dass die Herstellung, Speicherung und der Nachweis von makroskopischen Überlagerungszuständen (bzw. allgemeinen Quantenzuständen) fundamentalen Schranken unterliegt. Beispielsweise für den Nachweis ein Messapparat notwendig, der quadratisch größer als das System ist für eine Katze in einem Überlagerungszustand ist das ein Messapparat, der größer als die Erde ist!