Verbundprojekt: Photonisch-Integrierter-Quantencomputer (QPIC-1); Teilvorhaben UDS: Erzeugung von Clusterzuständen für photonisch integrierte Quantencomputer

Abstract

Dieses Teilvorhaben forscht gemeinsam und in Abstimmung mit den Partnern im QPIC-1 Verbund an Themen zur Bekanntmachung "Quantenprozessoren und Technologien für Quantencomputer". Diese Bekanntmachung adressiert u.a. die Entwicklung eines neuartigen Konzeptes für einen Quantenprozessor, der das Potential zu einer Skalierung auf mehr als 1.000 Qubits bietet. Das Ziel des QPIC-1 Gesamtverbundes ist die Realisierung eines photonischen Quantencomputers durch gezielte Manipulation von photonischen Clusterzuständen auf Basis optisch integrierter Chips. In einem One-Way-Quantencomputer müssen deterministische Messungen an einzelnen Photonen des Clusterzustandes mit Feed-Forward-Operationen vorgenommen werden, um Algorithmen auszuführen. Dies geschieht in einem integrierten quantenphotonischen Schaltkreis (Engl.: Quantum Photonic Integrated Circuit - QPIC), der als Quantenprozessor fungiert und der mit photonischen Clusterzuständen gespeist wird. Im Teilvorhaben "Erzeugung von Clusterzuständen für photonisch integrierte Quantencomputer" wird die deterministische Erzeugung der zentralen Ressource für einen photonischen Quantencomputer, d.h. von photonischen Clusterzuständen, adressiert. Photonische Clusterzustände sind verschränkte Zustände aus vielen Photonen, die durch spezielle Verschränkungsbeziehungen unter den einzelnen Photonen charakterisiert sind. In diesem Teilvorhaben sollen zunächst solche eindimensionalen Clusterzustände hergestellt werden, Generell sind für photonisches Quantum Computing allerdings höherdimensionale Clusterzustände notwendig; diese sollen durch Fusions-Gatter aus eindimensionalen Clusterzuständen erzeugt werden. Basis für die Erzeugung von photonischen Clusterzuständen ist die deterministische Emission von ununterscheidbaren Photonen, die aus einem einzelnen Farbzentrum in Diamant emittiert werden und die eine Verschränkung mit einem internen Freiheitsgrad, d.h. dem Elektronenspin des Farbzentrums aufweisen. Der Vorteil dieses Ansatzes liegt in der Kombination äußerst vorteilhafter Eigenschaften der Farbzentren wie lange Spinkohärenzzeit, Emission Fourier-limitierter Einzelphotonen und Integrierbarkeit in nanophotonische Strukturen zur Erhöhung der Effizienz der Photonenerzeugung.