Photonisch-integriertes Quantencomputing

Fluoreszenzbild der möglichen Pfade dreier verschränkter Photonen in einer Boson-Sampling-Struktur auf einem Chip.
Quarzglas-Chips wie dieser können komplexe quantenoptische Schaltkreise beherbergen und schützen diese vor äußeren Störeinflüssen.

Photonische Quantencomputer ermöglichen dramatische Verbesserungen der Rechenleistung gegenüber klassischen Computern, indem sie die Quanteneigenschaften des Lichts ausnutzen. Dank ihrer grundlegenden physikalischen Struktur haben sie das Potential, viele in der theoretischen Informatik als „schwer“ klassifizierte Aufgaben zu bewältigen, an denen selbst die leistungsfähigsten konventionellen Supercomputer scheitern müssen.

Wie auch in der Zeit der ersten elektronischen Schaltkreise stellt die Miniaturisierung und Integration der Quantengatter (oder Quantenschaltkreise) eine der aktuell zentralen Herausforderungen dar. Mithilfe der Femtosekunden-Laserschreibtechnik [J. Phys. B 43, 163001 (2010)] entwickeln wir neue optisch-integrierte Schaltkreise, beispielsweise zur Beobachtung von Ein- und Zweidimensionalen Quantenzufallsbewegungen [Phys. Rev. Lett. 110, 150503 (2013)]  [Phys. Rev. Lett. 112(14), 143604 (2014)]. Die Einsatzmöglichkeiten unserer Strukturen reichen von der Darstellung verschiedener Quantengatter  [Sci. Rep. 4, 4118 (2014)] bis hin zur Realisierung ganzer Quantenkommunikationsnetzwerke [Nature Photonics 7, 540-544 (2013)].

Im Rahmen unserer Forschung ist es uns gelungen, W-Zustände auf einem Chip zu erzeugen [Nature Photon. 8, 791 (2014)], wobei wir mit 16 verschränkten Kanälen den aktuellen Rekord halten. Diese Art von Zuständen eignet sich insbesondere für sichere Quantenkommunikationsprotokolle und Quanten-Zufallszahlengeneration. Es gelang uns außerdem, erstmals experimentell Bloch-Oszillationen von verschränkten N00N-Zuständen zu beobachten [Nature Commun. 6, 8273 (2015)]. Weiterhin konnten wir auch eine fraktionelle Fourier-Kravchuk-Transformation auf einem Chip realisieren, unter Nutzung einer Analogie zum quantenmechanischen Jx-Operator [Nature Commun. 7, 11027 (2016)].

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