Photonische Quantensimulationen

Ziel des Projektes ist es einen optischen Quantensimulator zu bauen, der es ermöglicht die quantenmechanischen Korrelationen anderer Quantensysteme zu simulieren und dadurch Einblicke in neuartige Quantenphänomene zu bekommen. Um Quantensimulationen durchzuführen müssen Quantensysteme mit höchster Präzision präpariert, manipuliert und ausgelesen werden können. Dafür bieten sich verschränkte Photonensystem an, da sie aufgrund der genauen Adressierbarkeit einzelner Teilchen und der justierbaren Wechselwirkung zwischen diesen, für solche Anwendungen prädestiniert sind. Die grundlegende Idee ist es aktuelle Technologien weiter zu entwickeln, um neuartige Photonenquellen mit integrierten Lichtwellenleitern und höchst effizienten Einzelphotonendetektoren, die aus supraleitendenden Nanodrähten aufgebaut sind, zu kombinieren. Dies ermöglicht nicht nur die Anzahl der verschränkten Photonen auf möglicherwiese zehn oder mehr zu erhöhen, sondern auch die Kontrolle über diese Quantenzustände so zu verbessern, dass neuartige Quantensimulationen durchgeführt werden können. Als Folge dessen können die Photonenzustände in mehreren Freiheitsgraden verschränkt werden, wodurch sich die Anzahl der effektiven Quantenbits auf 20 oder mehr vergrößern lässt. Diese verschränkten Vielteilchensysteme sind nicht nur von Relevanz, um neuartige Quantenzustände in einem bisher unzugänglichen Parameterbereich zu studieren, sondern auch, um neuartige Quantencomputerprotokolle zu realisieren. Die Resultate dieser Experimente werden neue Wege und aufregende Möglichkeiten für photonische Quantencomputer weisen.

Das Projekt Photonische-Quantensimulation hat zu einer wesentlichen Weiterentwicklung der Quantentechnologie für einzelne Lichtteilchen bzw. Photonen geführt. Dadurch konnten neue Konzepte und Architekturen für Quantencomputer getestet, sowie experimentelle Quantensimulationen von anderen Quantensystemen realisiert werden.Im Rahmen dieses START Projektes wurde eine neue Generation von Photonenquellen für die Erzeugung von Vielphotonenzuständen ermöglicht, deren Wellenlänge so gewählt wurde, dass Verluste in Glasfasern und in integrierten optischen Bauteilen minimal sind. Die Detektion von diesen Photonen wurde möglich gemacht durch die Mitentwicklung von sehr effizienten Einzelphotonendetektoren, die auf Supraleitertechnologie basieren. Diese Technologien, zusammen mit speziell angefertigten integrierten Wellenleitern für die Manipulation der Lichtteilchen, waren essentiell für die Gewinnung der wissenschaftlichen Resultate.Dieses Projekt hat zu mehr als zwei Duzend begutachteten Publikationen beigetragen. Von besonderer internationaler Bedeutung war die Demonstration von Blind Quantum Computing, mit dem wir im Experiment zeigen konnten, dass Quantencomputer auch Datensicherheit für Klienten in Computernetzwerken ermöglicht. Ein anderes Highlight war die Realisierung einer so-genannten Boson Sampling Computation, die sich dadurch auszeichnet, dass die Computerberechnung einzig durch das Prozessieren von einzelnen Photonen in komplexen interferometrischen Netzwerken erfolgt. Des Weiteren konnten mithilfe dieses Projektes neuartige Methoden für Quantencomputer gezeigt werden, die darauf basieren, dass die Abfolge von Quantencomputer-Gattern überlagert wird. Im Experiment konnte bewiesen werden, dass dadurch Vorteile gegenüber herkömmlicher Quantencomputer-Schemata, die auf einer fixen Anordnung der Gatter beruhen, erzielt werden können.Die entwickelte Quantentechnologie konnte auch genutzt werden, um Quantensimulationen von zwei wechselwirkenden Spins durchzuführen, sowie fundamentale Untersuchungen des Quanten-Discord als Ressource für die Quanteninformationsverarbeitung. Es konnten im Experiment auch neue Grenzwerte gesetzt werden, die die herkömmliche Quantentheorie gegenüber komplexen Erweiterungen bestätigt.Die Resultate dieses Projektes haben maßgeblich zur Implementierung neuer Anwendungen für Photonen und zur Weiterentwicklung von optischen Quantentechnologien geführt.