Die Fortschritte bei der Verarbeitung von Informationen mit klassischen Rechnern werden in den nächsten Jahrzehnten an physikalische Grenzen stoßen, die mit den bisherigen Techniken nur schwer zu überwinden sind. Einige dieser Grenzen können nur mit Hilfe der Quantenmechanik überwunden werden. Dabei wird die Information in quantenmechanischen Systemen, wie z.B. Spinsystemen, gespeichert, und durch Anwendung einer geeigneten Sequenz von externen Kontrollfeldern verarbeitet. Die größte Schwierigkeit bei der Realisierung liegt darin, die Kohärenz der Information zu erhalten. Eine Möglichkeit, die quantenmechanischen Superpositionszustände für längere Zeit zu erhalten, besteht in der Anwendung von geeigneten 'Entkopplungssequenzen'. Dabei handelt es sich um Reihen von resonanten Anregungspulsen, welche die Wechselwirkung mit der Umgebung so modulieren, dass sie im zeitlichen Mittel möglichst verschwindet. In der Figur wird für einige unterschiedliche Sequenzen die Lebensdauer der Spins gemessen: es zeigen sich erhebliche Unterschied von mehr als einer Größenordnung. Im Rahmen einer Bachelorarbeit sollen für weitere vorgeschlagene Sequenzen die Effizienzen gemessen und verglichen werden. Gesucht ist diejenige Sequenz, welche die Lebensdauer der Spin-Kohärenzen maximiert.
Referenzen:
[1] A. M. Souza, G. A. Álvarez and D. Suter, Phys. Rev. Lett. 106, 240501 (2011).
[2] A. M. Souza, G. A. Álvarez and D. Suter, Phil. Trans. Royal Soc. A 370, 4748-4769 (2012).
Quantencomputer bieten die Möglichkeit, Probleme zu lösen, welche auf klassischen Rechnern nicht effizient berechenbar sind. Zu den größten Schwierigkeiten bei der Realisierung dieses Potenzials gehört es, dass auch die Information, welche in den Quantenrechnern gespeichert ist, sehr leicht zerfällt und dass es aus prinzipiellen Gründen (quantenmechanischer Messprozess) sehr schwierig ist, Fehler bei der Berechnung zu erkennen und zu korrigieren. Die Techniken, die dafür entwickelt wurden, bezeichnet man als "Quanten-Fehlerkrorrektur" (QEC). Im Rahmen dieses Projektes soll eine einfache Version einer QEC implementiert werden.
Referenzen:
[1] J. Stolze and D. Suter, Quantum Computing, Wiley-VCH, Berlin (2008) ISBN 978-3-527-40787-3.
[2] J. Zhang, R. Laflamme and D. Suter, Phys. Rev. Lett. 109, 100503 (2012).
Während die Verarbeitung von Information in einem klassischen Rechner durch einfaches Schalten von Spannungen gesteuert wird, werden bei der Quanteninformationsverarbeitung dafür meist resonante Wechselfelder verwendet. Im Vergleich zu klassischen Rechnern sind die Anforderungen an die Präzision von logischen Operationen bei der Quanteninformationsverarbeitung wesentlich höher. Diese hohen Anforderungen an die Präzision einzelner logischer Operationen sollte zudem durch endliche Präzision von experimentell kontrollierten Parametern möglichst wenig beeinflusst werden. Wir entwickeln deshalb spezielle Pulse, bei denen Amplitude, Phase und Frequenz so moduliert werden, dass diese Anforderungen an die Präzision möglichst gut erfüllt werden. Die Figur zeigt einen solchen Puls, welcher Fehler in der Resonanzverstimmung und der Amplitude der Pulse bei einem bestimmten Quantenalgorithmus besonders gut kompensiert. Im Rahmen der Bachelor-Arbeit sollen verschiedene solche modulierten Pulse simuliert, getestet und optimiert werden. Das Ziel sind jeweils Pulse, welche im Experiment möglichst wenig von der theoretisch geforderten Vorgabe abweichen.
Referenzen:
[1] T. S. Mahesh and D. Suter, Phys. Rev. A 74, 062312 (2006).
[2] D. Suter and T. S. Mahesh, J. Chem. Phys. 128, 052206 (2008).