Ein Multi-Qubit Quantennetzwerk-Knoten für die Quantenkommunikation und Quantencomputing

• Antragsteller: Dr. Stephan Welte
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 539838695

In diesem Projekt plane ich, einen vielseitigen Quantennetzwerk-Knoten für neuartige Quantenkommunikations- und Computing Anwendungen zu realisieren. Ziel ist die Integration eines optischen Resonators mit einer Anordnung von optischen Pinzetten, die einzelne Rubidiumatome enthalten. Die Atome im Resonator repräsentieren stationäre Träger von Quanteninformationen, während Photonen als fliegende Träger von Quanteninformationen dienen. Die Photonen können nach dem Verlassen des Resonators frei zu anderen Netzwerkknoten in Glasfasern propagieren. In den letzten zehn Jahren wurden sowohl die Resonator-Quantenelektrodynamik als auch die optische Pinzette mit Nobelpreisen ausgezeichnet (Haroche 2012, Ashkin 2018). Die Kombination dieser experimentellen Plattformen in einem einzigen Aufbau wird eine Reihe neuer Experimente ermöglichen. Die Vielseitigkeit der optischen Pinzetten ermöglicht es, eine genau definierte Anzahl von Atomen deterministisch in den Resonator zu laden und sie an Positionen mit maximaler Kopplung zu positionieren. Darüber hinaus kann in den Pinzetten ein Reservoir von Atomen außerhalb des Resonators gespeichert werden, sodass im Falle eines Atomverlusts ein Atom innerhalb des Resonators schnell ersetzt werden kann. Diese Funktion ist in keinem modernen Aufbau verfügbar. Die inhärente Konnektivität, die durch die gemeinsame Kopplung aller Atome an den Resonator entsteht, ermöglicht die Ausführung von Multi-Qubit Gattern in einem einzigen Schritt durch die Reflexion eines Photons am Resonator. Dieser Mechanismus ist unabhängig von der Anzahl der Atome und kann für die Ausführung eines N-Qubit-Toffoli-Gatters genutzt werden. Dieses Gatter kann zum Beispiel verwendet werden, um den Verschränkungsaustausch in einem Quantenrepeater zu realisieren. Darüber hinaus werde ich mich mit der Erzeugung hochgradig verschränkter Zustände des Lichts befassen, wie z. B. mehrdimensionalen Clusterzuständen. Für deren Erzeugung ist die individuelle Kontrolle der Atome im Resonator eine notwendige Voraussetzung. Zuletzt plane ich, optische Gottesman-Kitaev-Preskill Zustände zu erzeugen, die als Basiszustände für die Codierung von Quanteninformation in einer bosonischen Mode dienen. Obwohl theoretisch nachgewiesen wurde, dass diese Zustände vielversprechende Eigenschaften in Quantenfehlerkorrekturprotokollen aufweisen, muss ihre deterministische Erzeugung im optischen Bereich erst noch demonstriert werden. Um diese Ziele zu erreichen, werden meine Gruppe und ich am 5. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart eine neuartige Versuchsanordnung aufbauen. Hier werden wir die notwendigen Werkzeuge für die Kontrolle einzelner Atome entwickeln und das Potenzial des Aufbaus für neuartige Quantencomputer und Quantennetzwerkprotokolle erforschen. Nach der erfolgreichen Implementierung dieses Aufbaus und der Demonstration seiner Schlüsseleigenschaften kann das Design repliziert werden, was die Verbindung mehrerer Knoten zu einem Quantennetzwerk ermöglicht.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen
• Internationaler Bezug: Dänemark, Niederlande, Schweiz
• Großgeräte: Diode Laser ; EMCCD Camera ; Laser 1064nm ; ULE Cavities
• Gerätegruppe: 5430 Hochgeschwindigkeits-Kameras (ab 100 Bilder/Sek) ; 5700 Festkörper-Laser ; 5770 Lichtmodulatoren, Elektrooptik, Magnetooptik
• Kooperationspartner: Professor Dr. Johannes Borregaard; Dr. Jacob Hastrup; Professor Dr. Jonathan Home