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Interfaces between light and matter for quantum information processing

Trautmann, Nils :
Interfaces between light and matter for quantum information processing.
[Online-Edition: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/6004]
TUprintd , Darmstadt
[Dissertation], (2017)

Offizielle URL: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/6004

Kurzbeschreibung (Abstract)

Quantum communication and quantum computation are anticipated quantum technologies which enable us to tackle problems which are hard or even impossible to solve by classical means. A major challenge in implementing real life applications for quantum communication and quantum computation is to implement efficient interfaces between different kinds of quantum systems which serve as carriers of quantum information, such as single photons and single material quantum systems (i.e. atoms, ions ...). These different kinds of quantum systems have different advantages and disadvantages if it comes to practical applications. Single photons, which may serve as flying qubits, can be transmitted over larger distances without suffering from too much decoherence while single material quantum systems may be used as matter qubits to store and process quantum information locally. For many applications, the particular advantages of both kinds of systems are needed. Hence, we require interfaces between flying qubits and matter qubits.

In the first part of this thesis, we develop suitable protocols for implementing interfaces between these flying qubits and matter qubits. The key challenge is to design the interactions to allow the efficient coupling of single photons to single material quantum systems, such as atoms and ions. This is not only of interest for possible practical applications of quantum mechanics but also drives fundamental research, as it is directly connected to a precise control and enhancement of matter-field interactions.

The second part of this thesis is concerned with the applications of quantum technologies for simulating complex quantum systems, which cannot be treated by classical means. In many cases, the simulation of complex quantum systems turns out to be a difficult task due to the basic structure of quantum mechanics. The same aspects of quantum mechanics, which allow us to tackle computationally hard problems by using quantum algorithms, create difficulties in understanding the behavior of complex quantum systems. However, the understanding of complex quantum systems is not only of fundamental importance but might also enable us to give answers to problems of practical significance, such as an explanation for high-temperature superconductivity. Here, we develop protocols for implementing such quantum simulations based on ions trapped in state of the art ion traps. The applications of these kinds of quantum simulations are ranging from fundamental research to process design, control, and optimization.

Typ des Eintrags: Dissertation
Erschienen: 2017
Autor(en): Trautmann, Nils
Titel: Interfaces between light and matter for quantum information processing
Sprache: Englisch
Kurzbeschreibung (Abstract):

Quantum communication and quantum computation are anticipated quantum technologies which enable us to tackle problems which are hard or even impossible to solve by classical means. A major challenge in implementing real life applications for quantum communication and quantum computation is to implement efficient interfaces between different kinds of quantum systems which serve as carriers of quantum information, such as single photons and single material quantum systems (i.e. atoms, ions ...). These different kinds of quantum systems have different advantages and disadvantages if it comes to practical applications. Single photons, which may serve as flying qubits, can be transmitted over larger distances without suffering from too much decoherence while single material quantum systems may be used as matter qubits to store and process quantum information locally. For many applications, the particular advantages of both kinds of systems are needed. Hence, we require interfaces between flying qubits and matter qubits.

In the first part of this thesis, we develop suitable protocols for implementing interfaces between these flying qubits and matter qubits. The key challenge is to design the interactions to allow the efficient coupling of single photons to single material quantum systems, such as atoms and ions. This is not only of interest for possible practical applications of quantum mechanics but also drives fundamental research, as it is directly connected to a precise control and enhancement of matter-field interactions.

The second part of this thesis is concerned with the applications of quantum technologies for simulating complex quantum systems, which cannot be treated by classical means. In many cases, the simulation of complex quantum systems turns out to be a difficult task due to the basic structure of quantum mechanics. The same aspects of quantum mechanics, which allow us to tackle computationally hard problems by using quantum algorithms, create difficulties in understanding the behavior of complex quantum systems. However, the understanding of complex quantum systems is not only of fundamental importance but might also enable us to give answers to problems of practical significance, such as an explanation for high-temperature superconductivity. Here, we develop protocols for implementing such quantum simulations based on ions trapped in state of the art ion traps. The applications of these kinds of quantum simulations are ranging from fundamental research to process design, control, and optimization.

Ort: Darmstadt
Verlag: TUprintd
Fachbereich(e)/-gebiet(e): 05 Fachbereich Physik
05 Fachbereich Physik > Institut für Angewandte Physik
05 Fachbereich Physik > Institut für Angewandte Physik > Theoretische Quantenphysik
Hinterlegungsdatum: 26 Mär 2017 19:55
Offizielle URL: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/6004
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-60046
Gutachter / Prüfer: Alber, Prof. Dr. Gernot ; Walser, Prof. Dr. Reinhold
Datum der Begutachtung bzw. der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 30 Januar 2017
Alternatives oder übersetztes Abstract:
AbstractSprache
Quantenkommunikation und Quantumcomputing sind zukunftsweisende Quantentechnologien, welche die Lösung von Problemen ermöglichen, die mittels rein klassischer Methoden unlösbar sind. So erlaubt die Quantenkryptographie den informationstheoretisch sicheren Austausch eines geheimen Schlüssels über große Distanzen und Quantenalgorithmen machen es möglich, komplexe Probleme, wie die Primfaktorzerlegung großer Zahlen, in polynomieller Zeit zu lösen. Eine der größten Herausforderungen in der praktischen Anwendung dieser Technologien ist die Implementierung effizienter Schnittstellen zwischen verschiedenen Quantensystemen, die als Träger von Quanteninformation genutzt werden, wie z.B. einzelne Photonen, die als photonische Qubits dienen, oder einzelne materielle Quantensysteme (z.B. Atome, Ionen...), die als materielle Qubits Anwendung finden. Diese Quantensysteme haben im Bezug auf praktische Anwendungen jeweils spezifische Vor- und Nachteile. Einzelne Photonen können über große Distanzen übertragen werden ohne dabei durch Dekohärenz zu stark in Mitleidenschaft gezogen zu werden. Materielle Quantensysteme, wie Atome und Ionen, andererseits können genutzt werden, um Quanteninformation lokal zu speichern und zu verarbeiten. Für viele Anwendungen sind jedoch die spezifischen Vorteile der beiden oben genannten Systeme von Nöten. Folglich sind Schnittstellen zwischen photonischen Qubits und materiellen Qubits erforderlich. Der erste Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung geeigneter Protokolle zur Implementierung solcher Schnittstellen. Die Herausforderung liegt hierbei in der präzisen Kontrolle der Wechselwirkung zwischen Licht und Materie, um eine effiziente Kopplung von einzelnen Photonen an einzelne materielle Quantensysteme, wie Atome oder Ionen, zu gewährleisten. Dies ist nicht nur für praktische Anwendungen von Interesse, sondern treibt auch die Grundlagenforschung weiter voran, da hierzu auch die fundamentale Wechselwirkung von Licht mit Materie auf dem Niveau einzelner Photonen untersucht wird. Der zweite Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit möglichen Anwendungen von Quantentechnologien für die Simulation von Quantensystemen, die aufgrund ihrer Komplexität nicht mehr mittels klassischer Computer untersucht werden können. Es stellt sich heraus, dass viele der Eigenschaften der Quantenmechanik, die es uns ermöglichen schwere Probleme mittels eines Quantencomputers in polynomieller Zeit zu lösen, die Simulation komplexer Quantensysteme mittels klassischer Computer erschweren oder gar praktisch unmöglich machen. Die Untersuchung derartiger Systeme ist nicht nur von Interesse für die Grundlagenforschung sondern weist auch den Weg zur Beantwortung vieler Fragen von immenser praktischer Bedeutung, wie z.B. die Erklärung des Phänomens der Hochtemperatursupraleitung. In diesem Teil der Arbeit werden Protokolle zur Simulation solcher komplexen Quantensysteme mittels Ionenfallen vorgestellt. Die möglichen Anwendungen dieser Art von Quantensimulationen reichen hierbei von Grundlagenforschung bis hin zur anwendungsorientierten Forschung zur Entwicklung, Optimierung und Kontrolle von Prozessen.Deutsch
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