Phononen-Quantennetzwerke

Die Entwicklung neuartiger Quantentechnologien, wie z.B. Quantencomputer oder abhörsichere Quantenkommunikation, ist eine der großen wissenschaftlichen Herausforderungen unserer Zeit. Für viele dieser Technologien benötigt man einerseits isolierte Quantensysteme, um Quanteninformation zu speichern und zu bearbeiten, andererseits aber auch effiziente Wege, um diese Quanten-Bits miteinander zu vernetzen. Das Ziel dieses Projekts ist, neue Methoden zur Übertragung von Quanteninformation mit Hilfe quantisierter Gitterschwingungen, sogenannter Phononen, zu untersuchen. Dazu soll insbesondere die Übertragung von Quantenzuständen zwischen zwei Störstellenatomen in nanostrukturiertem Diamant im Detail analysiert werden. Störstellen in Diamant werden schon heute dazu benutzt, um Quantenzustände in isolierten Freiheitsgraden gebundener Elektronen zu speichern und diese Zustände auch für die Entwicklung von hoch-sensitiven Magnetfeldsensoren zu benutzen. Bisher gibt es aber keine effiziente Methode, um solche Störstellenatome miteinander zu verbinden und damit diese Diamant-basierten Quantentechnologien weiterzuentwickeln. Phononen, die in strukturierten Bahnen entlanglaufen und damit Informationen zwischen entfernten Störstellen austauschen, könnten diese offene Lücke schließen. Als ersten Schritt in diese Richtung sollen in diesem Projekt eine detaillierte theoretische Modellierung solcher Phononen-Quantennetzwerke sowie erste Protokolle zur Übertragung von Quantenzuständen erarbeitet werden.Abgesehen von möglichen technologischen Anwendungen werden diese Forschungsergebnisse auch dazu dienen, neue experimentelle Methoden zu Untersuchung von Schall und Wärmetransport auf der Ebene einzelner Schwingungsquanten zu entwickeln.

Die Entwicklung neuartiger Quantentechnologien, wie z.B. Quantencomputer oder abhörsichere Quantenkommunikation, ist eine der großen wissenschaftlichen Herausforderungen unserer Zeit. Für viele dieser Technologien benötigt man einerseits isolierte Quantensysteme, um Quanteninformation zu speichern und zu bearbeiten, andererseits aber auch effiziente Wege, um diese Quanten-Bits miteinander zu vernetzen. In diesem Projekt haben wir neue Methoden zur Übertragung von Quanteninformation mit Hilfe quantisierter Gitterschwingungen, sogenannter Phononen, untersucht. Dazu wurde insbesondere die Übertragung von Quantenzuständen zwischen zwei Störstellenatomen in nanostrukturiertem Diamant mit numerischen und analytischen Methoden modelliert. Diese Analysen haben gezeigt, wie optimierte Kontrollpulse ausgenutzt werden können, um die effektive Kopplungsrate zwischen den Störstellen zu erhöhen und gleichzeitig störendes Rauschen zu unterdrücken. Unsere Vorhersagen zeigen, dass damit Quantengatteroperationen mit einem Fehler von weniger als 0.0001 realisiert werden können, eine Schwelle, die skalierbare Quantenrechnungen erlaubt. Des Weiteren haben wir verschiedene theoretische Methoden zur Untersuchung von Energieströmen in phononischen und anderen Quantennetzwerken entwickelt. Wie klassische Computer, werden auch zukünftige Quantencomputer durch Heizeffekte limitiert sein, jedoch in einem weite größerem Ausmaß, da in solch hoch-isolierten Systemen Wärme nur sehr schwer abgeführt werden kann. Unser Berechnungen haben gezeigt, dass beim Fluss von Wärme durch solche isolierten Netzwerke sogar Phasenübergänge auftreten können, deren Verständnis für die Entwicklung von großen Quantenrechnern eine wichtige Rolle spielen wird.