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Limitierungen und Potential nicht-lokaler Quantenmetrologie

Limits and potential of distributed quantum metrology

Wolfgang Dür (ORCID: 0000-0002-0234-7425)
  • Grant-DOI 10.55776/P36009
  • Förderprogramm Einzelprojekte
  • Status Laufend
  • Projekt­beginn 01.10.2022
  • Projektende 31.03.2027
  • Bewilligungs­summe 408.568 €
  • Projekt-Website

Wissenschaftsdisziplinen

Physik, Astronomie (100%)

Keywords

  • Quantum Metrology,
  • Quantum Networks,
  • Quantum Information Processing
Abstract

Präzisionsmessungen verschiedener physikalischer Größen und Eigenschaften spielen nicht nur in der Physik und anderen Naturwissenschaften eine zentrale Rolle, sondern sind auch für technische Anwendungen relevant. So ist z.B. eine präzise Zeitmessung mit Atomuhren die Basis für eine genaue Positionsbestimmung via GPS. Die Quantenphysik ermöglicht dabei eine signifikant erhöhte Genauigkeit, und es wird versucht diese Vorteile in der Praxis umzusetzen. Bisher konzentrieren sich diese Bemühungen auf die lokale Messung von verschiedenen Größen, wie etwa der Stärke von Magnetfeldern oder des Erdgravitationsfeldes. Die Fortschritte bei den Quantentechnologien der letzten Jahre ermöglichen aber nicht nur die lokale Kontrolle und Manipulation von einzelnen Atomen und anderen Quantenobjekten, sondern eröffnen auch die Möglichkeit diese über große Entfernungen miteinander zu verschränken und zu gezielt zu manipulieren. Dieses Forschungsprojekt beschäftigt sich mit solchen nicht-lokalen Quantennetzwerken und deren Einsatz als Sensornetzwerken. Gekoppelte, räumlich verteilte Sensoren ermöglichen die Messung von ortsabhängigen Größen mit erhöhter Genauigkeit, wie etwa lokalen Änderungen oder einfallende Wellen, aber auch eine Erhöhung der Auflösung wie etwa bei zusammengeschalteten Teleskopen. In diesem Forschungsprojekt werden Methoden und Protokolle entwickelt, wie man verschränkte Quantensysteme für solche Messungen verwenden kann. Dabei wird der Frage nachgegangen, welche Quantenzustände man dafür benötigt, und wie diese erzeugt und gemessen werden können. Kleine Störungen und Rauschen sind allerdings ein großes Hindernis, weil sie den Quantenvorteil zunichtemachen. Ein wesentliches Ziel des Projektes ist es deshalb, Verfahren und Möglichkeiten zu finden mit (korrelierten) Rauschprozessen umzugehen, und diese weitestgehend zu unterdrücken. Ebenso werden verschiedene Anwendungsmöglichkeiten von nicht-lokaler Quantennetzwerke, etwa für gekoppelte Teleskope, untersucht. Sensornetzwerke tauchen allerdings nicht nur in weit voneinander entfernten Systemen auf. Im Prinzip ist jede Anordnung von einzelnen Sensoren, die sich an unterschiedlichen Positionen befinden ein Sensornetzwerk und deshalb z.B. auch eine Anordnung von einzelnen Atomen in einer elektromagnetischen Falle, oder auch von verschiedenen Fehlstellen in einem Diamantgitter. Wir werden untersuchen, ob die von uns entwickelten Methoden und Ansätze auch in diesem Zusammenhang eingesetzt werden können etwa für Atomuhren mit erhöhter Genauigkeit, oder für sogenannte NV-center Mikroskope. Obwohl die zugrundeliegenden Systeme vollkommen unterschiedlich sind, sind die Techniken und Methoden universell einsetzbar. Wir werden darüber hinaus die entwickelten Techniken zum Umgang mit korreliertem Rauschen auch in anderen, verwandten Problemen jenseits von Sensornetzwerken einsetzen, u.a. für Verschränkungsschalter sowie für Quantensimulatoren.

Forschungsstätte(n)
  • Universität Innsbruck - 100%
Nationale Projektbeteiligte
  • Benjamin Lanyon, Universität Innsbruck , nationale:r Kooperationspartner:in
Internationale Projektbeteiligte
  • Pavel Sekatski, Universite de Geneve - Schweiz

Research Output

  • 31 Zitationen
  • 35 Publikationen
Publikationen
  • 2024
    Titel Measurement-Based Infused Circuits for Variational Quantum Eigensolvers.
    DOI 10.1103/physrevlett.132.240601
    Typ Journal Article
    Autor Chan A
    Journal Physical review letters
    Seiten 240601
  • 2024
    Titel Quantum computation with logical gates between hot systems
    DOI 10.1103/physrevresearch.6.033101
    Typ Journal Article
    Autor Riera-Sàbat F
    Journal Physical Review Research
  • 2025
    Titel How many lives does Schrödinger's cat have?
    DOI 10.1088/1361-6404/add58e
    Typ Journal Article
    Autor López-Incera A
    Journal European Journal of Physics
  • 2025
    Titel Experimental Distributed Quantum Sensing in a Noisy Environment
    DOI 10.1103/3hgx-wcdn
    Typ Journal Article
    Autor Bate J
    Journal Physical Review Letters
  • 2022
    Titel A Quantum Simulator Based on Locally Controlled Logical Systems
    DOI 10.48550/arxiv.2207.08900
    Typ Preprint
    Autor Riera-Sàbat F
  • 2022
    Titel Remotely Controlled Entanglement Generation
    DOI 10.48550/arxiv.2206.10686
    Typ Preprint
    Autor Riera-Sàbat F
  • 2022
    Titel Nondestructive Verification of Entangled States via Fidelity Witnessing
    DOI 10.48550/arxiv.2209.06849
    Typ Preprint
    Autor Riera-Sàbat F
  • 2022
    Titel Aspects of entropy in classical and in quantum physics
    DOI 10.1088/1751-8121/ac8f74
    Typ Journal Article
    Autor Heusler S
    Journal Journal of Physics A: Mathematical and Theoretical
    Seiten 404006
    Link Publikation
  • 2022
    Titel Approximate decoherence free subspaces for distributed sensing
    DOI 10.1088/2058-9565/ac44de
    Typ Journal Article
    Autor Hamann A
    Journal Quantum Science & Technology
    Seiten 025003
    Link Publikation
  • 2022
    Titel Collective Operations Can Exponentially Enhance Quantum State Verification
    DOI 10.48550/arxiv.2201.01782
    Typ Preprint
    Autor Miguel-Ramiro J
  • 2023
    Titel Quantum computation with logical gates between hot systems
    DOI 10.48550/arxiv.2311.06588
    Typ Other
    Autor Riera-Sàbat F
    Link Publikation
  • 2023
    Titel Resource-efficient fault-tolerant one-way quantum repeater with code concatenation
    DOI 10.48550/arxiv.2306.07224
    Typ Other
    Autor Wo K
    Link Publikation
  • 2023
    Titel Measurement-based infused circuits for variational quantum eigensolvers
    DOI 10.48550/arxiv.2305.19200
    Typ Other
    Autor Chan A
    Link Publikation
  • 2023
    Titel Optimal distributed multiparameter estimation in noisy environments
    DOI 10.48550/arxiv.2306.01077
    Typ Other
    Autor Hamann A
    Link Publikation
  • 2023
    Titel Quantum Repeater for W states
    DOI 10.48550/arxiv.2304.06757
    Typ Other
    Autor Miguel-Ramiro J
    Link Publikation
  • 2023
    Titel Superposed Quantum Error Mitigation
    DOI 10.48550/arxiv.2304.08528
    Typ Other
    Autor Miguel-Ramiro J
    Link Publikation
  • 2023
    Titel Superposed Quantum Error Mitigation.
    DOI 10.1103/physrevlett.131.230601
    Typ Journal Article
    Autor Miguel-Ramiro J
    Journal Physical review letters
    Seiten 230601
  • 2025
    Titel Selective and noise-resilient wave estimation with quantum sensor networks
    DOI 10.1088/2058-9565/add61b
    Typ Journal Article
    Autor Hamann A
    Journal Quantum Science and Technology
  • 2022
    Titel Performance analysis of a hybrid agent for quantum-accessible reinforcement learning
    DOI 10.1088/1367-2630/ac5b56
    Typ Journal Article
    Autor Hamann A
    Journal New Journal of Physics
    Seiten 033044
    Link Publikation
  • 2024
    Titel Optimal distributed multi-parameter estimation in noisy environments
    DOI 10.1088/2058-9565/ad37d5
    Typ Journal Article
    Autor Hamann A
    Journal Quantum Science and Technology
  • 2024
    Titel A modular entanglement-based quantum computer architecture
    DOI 10.1088/1367-2630/ad9945
    Typ Journal Article
    Autor Riera-Sàbat F
    Journal New Journal of Physics
  • 2023
    Titel Optimized Quantum Networks
    DOI 10.22331/q-2023-02-09-919
    Typ Journal Article
    Autor Miguel-Ramiro J
    Journal Quantum
  • 2023
    Titel Remotely Controlled Entanglement Generation
    DOI 10.22331/q-2023-01-24-904
    Typ Journal Article
    Autor Riera-Sàbat F
    Journal Quantum
  • 2023
    Titel A quantum simulator based on locally controlled logical systems
    DOI 10.1088/1367-2630/acb5ba
    Typ Journal Article
    Autor Riera-Sàbat F
    Journal New Journal of Physics
  • 2023
    Titel Resource-efficient fault-tolerant one-way quantum repeater with code concatenation.
    DOI 10.1038/s41534-023-00792-8
    Typ Journal Article
    Autor Wo Kj
    Journal NPJ quantum information
    Seiten 123
  • 2026
    Titel Blind quantum computing with different qudit resource state architectures
    DOI 10.1103/1p5p-zywx
    Typ Journal Article
    Autor Romanova A
    Journal Physical Review A
  • 2025
    Titel Graph state fission
    DOI 10.1103/physreva.111.052624
    Typ Journal Article
    Autor Miguel-Ramiro J
    Journal Physical Review A
  • 2025
    Titel Improved quantum sensing by spectral design
    DOI 10.1088/1367-2630/ae0fbd
    Typ Journal Article
    Autor Aigner P
    Journal New Journal of Physics
  • 2026
    Titel QPing: A Quantum Ping Primitive for Quantum Networks
    DOI 10.1109/jsac.2026.3693981
    Typ Journal Article
    Autor Miguel-Ramiro J
    Journal IEEE Journal on Selected Areas in Communications
  • 2023
    Titel Quantum Repeater for W States
    DOI 10.1103/prxquantum.4.040323
    Typ Journal Article
    Autor Miguel-Ramiro J
    Journal PRX Quantum
  • 2023
    Titel Enhancing quantum computation via superposition of quantum gates
    DOI 10.1103/physreva.108.062604
    Typ Journal Article
    Autor Miguel-Ramiro J
    Journal Physical Review A
  • 2023
    Titel Nondestructive verification of entangled states via fidelity witnessing
    DOI 10.1103/physreva.107.022414
    Typ Journal Article
    Autor Riera-Sàbat F
    Journal Physical Review A
  • 2023
    Titel Noisy stabilizer formalism
    DOI 10.1103/physreva.107.032424
    Typ Journal Article
    Autor Mor-Ruiz M
    Journal Physical Review A
    Link Publikation
  • 2022
    Titel Noisy Stabilizer Formalism
    DOI 10.48550/arxiv.2212.08677
    Typ Preprint
    Autor Mor-Ruiz M
  • 2022
    Titel Collective Operations Can Exponentially Enhance Quantum State Verification
    DOI 10.1103/physrevlett.129.190504
    Typ Journal Article
    Autor Miguel-Ramiro J
    Journal Physical Review Letters
    Seiten 190504
    Link Publikation

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