Schwingungsbasierter Energie- und Informationstransfer in molekularen Brücken: Quantendynamik und Kontrolle
Final Report Abstract
Die zentrale Idee dieses Projekts war es molekulare Ketten als ein schnelles Kommunikationsmedium zwischen räumlich separierten Qubits zu verwenden. Als kleinste Untereinheit eines möglichen Quantennetzwerks haben wir ein Modell bestehend aus zwei endständigen Qubitsystemen, die über eine molekulare Kette verbunden sind, betrachtet. Die Quantengatter auf den einzelnen, endständigen Qubits konnten mit modulierten Lichtpulsen im IR- oder im Raman-Bereich realisiert werden, ebenso der Energietransfer zwischen den Qubits. Die Berücksichtigung dissipativer Effekte zeigte für Quantengatter sowie für den Informationsaustausch über die molekularen Brücken einen ähnlichen tolerierbaren Zeitbereich von ≥ 200 ps für die T1 Zeiten. Als molekulare Brücken haben wir lineare, nicht verzweigbare -C – C≡C-Ketten verwendet. Die konjugierten Dreifachbindungen erlauben einen schnellen Informationstransfer und sind ausreichend stabil gegen IVR Prozesse zu Kettendeformationsmoden. Zukünftig könnte die Implementierung von Quantengattern über die Brücke interessant sein. Hierzu könnte es notwendig werden mehrere Quantenkanäle gleichzeitig zu nutzen. Im Sinne von Skalierbarkeit ist die Wahl optisch unterscheidbarer Qubits, die jeweils durch eine molekulare Brücke verbunden sind, vorteilhaft. Diese können selektiv vom Laser angesprochen werden. Ansonsten müsste die molekulare Brücke so lang gemacht werden, dass die beiden Qubits nicht gleichzeitig im Laserfokus liegen. Wie stark die Länge der Brücke mit störenden Dekohärenzeffekten korreliert ist noch offen. Generell kann das untersuchte System Qubit-Brücke-Qubit als extrapolierbare Untereinheit zum Aufbau eines Quantenregisters verstanden werden. Durch Einsatz von multi-objective GA’s oder Schwarmintelligenz basierten Algorithmen können die Optimierungen für alle Netzwerkoperationen so durchgeführt werden, dass sie direkt als Vorschläge für ein Experiment verwendbar sind. Für die Entwicklung des Qubit-Brücke-Qubit Modellsystems wurden geeignete Qubitsysteme und molekulare Brücken charakterisiert sowie Methodenentwicklungen im Bereich Quantendynamik, Optimal Control Theorie und Schwarmintelligenz basierter Methoden durchgeführt.
Publications
- „Robustness of quantum gates operating on the high frequency modes of MnBr(CO)5“, Chem. Phys. 338 (2007) 291
B. M. R. Schneider, C. Gollub, K. L. Kompa and R. de Vivie-Riedle
- „Monotonic convergent optimal control theory with strict limitations on the spectrum of optimized laser fields“, Phys. Rev. Lett., 101 (2008), 073002
C. Gollub, M. Kowalewski and R. de Vivie-Riedle
- „Theoretical optimization and prediction in the experimental search space for vibrational quantum processes“, Phys. Rev. A, 78 (2008), 033424
C. Gollub and R. de Vivie-Riedle
- „A modified Ant Colony Optimization Algorithm as an Alternative to Genetic Algorithms“, Phys. Rev. A (Rapid Comm.), 79 (2009), 021401(R)
C. Gollub and R. de Vivie-Riedle
- „Multi-objective genetic algorithm optimization of 2D- and 3D-Pareto fronts for vibrational quantum processes“, New J. Phys., 11 (2009), 013019
C. Gollub and R. de Vivie-Riedle
