Optimale Kontrolle Spin-Ensemble basierter Quantenspeicher

In den letzten Jahren hat sich die wissenschaftliche Perspektive der Informationstechnologie durch die Entwicklung der Quanteninformationstheorie drastisch erweitert. Eine wichtige Aufgabe für die Entwicklung zukünftiger Quantencomputer und Protokolle zur Quantenkommunikation ist der nahtlose Austausch von Information zwischen den verschiedenen Knoten von hybriden Quantennetzwerken. Solche Protokolle benötigen einen kohärenten und sehr genauen Transfer von Quanteninformation zwischen elektromagnetischen Wellen und den Zuständen von atomaren Systemen, die als Speichermedium dienen können. Ziel der geplanten Forschungsarbeit ist die Entwicklung einer Theorie optimierter Kontrollmechanismen, um robuste und kosteneffiziente Quantenspeicher basierend auf Spin-Ensembles in einem Resonator zu ermöglichen. Die Forschung wird vom Antragsteller, Himadri Shekhar Dhar, gemeinsam mit Prof. Stefan Rotter an der Technischen Universität Wien durchgeführt werden. In der jüngsten Vergangenheit wurden in Experimenten mögliche Quantenspeicheroperationen demonstriert und die Übertragung von Information in Mikrowellen sowie optischen Feldern auf Spin- Ensembles in Festkörpern zum Speichernund anschließendem Auslesen nachgewiesen. Die Präparations- und Kontrollmechanismen, die in diesen Experimenten angewendet wurden, machen die Operationen im großen Maßstab jedoch weder praktisch noch ökonomisch realisierbar. In der geplanten Forschung wird nach optimalen Kontrollmechanismen gesucht, welche die physikalischen Einschränkungen von Quantenspeichern auf eine geschickte Art überwinden und somit echte Vorteile gegenüber bestehenden Protokollen bieten. Um die aufwendigen Präparationstechniken in aktuellen Experimenten mit Quantenspeichern zu umgehen, zielt das Projekt auf die Entwicklung eines innovativen, optimalen Kontrollmodells ab. Dieses theoretische Modell soll in Proof-of-Concept-Experimenten Anwendung finden, welche in Zusammenarbeit mit vorgesehenen Projektpartnern entwickelt werden, sowie speziell für die Steuerung hybrider Quantensysteme entworfen werden. Eine derarte optimale Kontrolltheorie kann für Experimentatoren als Ausgangspunkt für den Entwurf und die Entwicklung neuartiger, ressourcenschonender und effizienter Quantenspeicher dienen, die einen enormen Fortschritt für das Forschungsfeld der Quanteninformation und Quantentechnologie bedeuten würde. Effiziente Quantenspeicher-Bauteile sind für die Entwicklung skalierbarer Netzwerke für Quantenberechnungen und Quantenkommunikation von extrem großer Bedeutung. Das beantragte Forschungsprojekt erlaubt uns Quantenkontrolltechniken zu entwickeln, die es ermöglichen, Spin- Ensemble basierte Quantenspeicher innerhalb physikalischer Rahmenbedingungen in optimaler Weise zu betreiben. Zusätzlich sollen diese optimalen Kontrollmodelle in der Entwicklung hybrider Quantensysteme Anwendung finden, um auch andere wichtige Quantenberechnungsprotokolle effizient zu designen.

Das Hauptergebnis des durch das Lise-Meitner-Programm des Österreichischen Wissenschaftsfonds (FWF) finanzierten Forschungsprojekts war die Entwicklung eines neuartigen theoretischen Models für die Berechnung der Wechselwirkung zwischen Licht und Materie in hybriden Quantensystemen. Die eingeführte Methode bietet uns nun die Werkzeuge zur Untersuchung und Kontrolle der Quantendynamik eines Ensembles von Spins innerhalb eines Resonators, bei dem die Wechselwirkung zwischen nichtklassischem Licht und Materie voll genutzt werden kann. Solche Systeme waren bisher für Forscher nicht vollständig zugänglich, wodurch unsere Methode den Weg ebnet für neue interessante Physik in Spin-Ensemble-Resonator Systemen, einschließlich des Designs effizienter Einzelphotonenquellen für Quantenrechner und optimal kontrollierte Quantenspeicher. Wir haben zum Beispiel gezeigt wie periodische Pulse nichtklassischen Lichts, die wie gute Einzelphotonenquellen agieren können, erzeugt werden können indem ein kurzer kohärenter Lichtpuls durch ein Spin-Ensemble innerhalb eines Quantenresonators geschickt wird. Unsere Studie zu diesem Thema wurde vor kurzem in der Fachzeitschrift "Physical Review Letters" publiziert. Die periodischen Photonenpulse, die in unserer Arbeit beschrieben werden, könnten unter anderen in gegenwärtigen Experimenten mit supraleitenden Schaltkreisen oder Quantenpunkten genutzt werden und bieten eine Alternative um einige Schwierigkeiten bei der Erzeugung von nichtklassischem Licht zu umgehen. Wir stellen fest, dass solche Hybridsysteme auch optimal geeignet sind um Protokolle für Quantenspeicher zu designen und diese vor Dekohärenz zu schützen. In unserer Gruppe wird weiterhin intensiv an mesoskopischen Spin-Ensembles geforscht und wir erwarten in naher Zukunft weitere interessante Ergebnisse. Unser theoretischer Ansatz basiert auf der Erkenntnis, dass Tensor-Netzwerk Methoden, welche in der Festkörperphysik und in der Quantenchemie häufig eingesetzt werden, auch für die effiziente Berechnung von offenen hybriden Quantensystemen nutzbar gemacht werden können. Bislang basieren die meisten theoretischen Methoden zur Untersuchung dieser Systeme auf semiklassischen Lösungen oder stark limitierten Quantensystemen. Unsere Arbeit schließt daher eine Lücke im theoretischen Verständnis der Wechselwirkung von Spin-Ensemble-Resonator Systemen im mesoskopischen Bereich und eröffnet neue Wege um komplexe Parameterregime zu untersuchen, die mit bisherigen Methoden unerreichbar waren. Ein besonders interessanter Aspekt unserer Arbeit ist, dass unser Model wahrscheinlich den beiden unterschiedlichen Forschungsgemeinschaften, welche zum einen an Quanten-Vielteilchensystemen und zum anderen an hybriden Quantensystemen arbeiten, als gemeinsame theoretische Basis dienen und zu erheblichen Interesse und Forschungsmöglichkeit in beiden Gebieten führen kann. Wie glauben, dass das Ergebnis unserer Forschungsarbeit im Rahmen des Lise-Meitner Programms auch das Potential hat entscheidende Studien an hybriden Quantensystemen zu beeinflussen, insbesondere bei der Entwicklung robuster Quantenprotokolle für Einzelphotonenquellen oder Quantenspeicher, welche entscheidende Bestandteile der Zukunft von Quanteninformations- und Kommunikationstechnologien darstellen.