Simulation of mesoscopic quantum systems by liquid-state NMR

• Applicant: Professor Dr. Dieter Suter
• Subject Area: Experimental Condensed Matter Physics ; Theoretical Condensed Matter Physics
• Term: from 2006 to 2016
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 18283631

• Final Report Year: 2017

Final Report Abstract

Quantencomputer bieten ein enormes Potenzial für die Lösung von Rechenoperationen, für die auf klassischen Computern keine effizienten Algorithmen existieren. Zu den wichtigsten Voraussetzungen für die Realisierung dieses Potenzials gehört die Erhaltung der Kohärenz, also der relativen Phase zwischen unterschiedlichen Eigenzuständen des Systems. Diese Bedingung ist einer der Gründe, weshalb die Implementierung von Quantenalgorithmen deutlich schwieriger ist als die von klassischen Algorithmen. Das Ziel dieses Projekts war die Implementierung von Quantenregistern auf der Basis von Kernspins und ihre Nutzung für Demonstratrionsexperimente im Bereich der Quanteninformation. Im Laufe des Projekts haben wir verschiedene Techniken implementiert, welche die Lebensdauer der Kohärenz verlängern. Dazu gehören Spin-Echo-Experimente, oft als “dynamical decoupling” bekannt, sowie die Quanten-Fehlerkorrektur. Wir haben diese Konzpete experimentell getestet und auch mit Gatteroperationen kombiniert, welche z.B. auf logische qubits angewegndet wurden. Darüber hinaus haben wir eine Reihe von Molekülen charakterisiert, welche Kandidaten für Quantenregister von leistungsfähigeren Quantenrechnern darstellen. Als eine der attraktiven Anwendungen der Quanteninformation haben wir einen experimentellen Quantencomputer für die Quantensimulation des Kibble-Zurek Mechanismus getestet. Dieser Mechanismus beschreibt die Erzeugung von Defekten bei Quanten-Phasenübergängen, z.B. im frühen Universum oder in der Festkörperphysik.

Publications

• ’Experimental Implementation of Encoded Logical Qubit Operations in a Perfect Quantum Error Correcting Code’, Phys. Rev. Lett. 109, 100503 (2012)
  Zhang, Jingfu; Laflamme, Raymond & Suter, Dieter
  
• ’Experimental implementation of quantum gates through actuator qubits’, Phys. Rev. A 91, 012330 (2015)
  Zhang, Jingfu; Burgarth, Daniel; Laflamme, Raymond & Suter, Dieter
  
• ’Experimental Protection of Two-Qubit Quantum Gates against Environmental Noise by Dynamical Decoupling’, Phys. Rev. Lett. 115, 110502 (2015)
  Zhang, Jingfu & Suter, Dieter
  
• ’Defect production in non-equilibrium phase transitions: experimental investigation of the Kibble-Zurek mechanism in a two-qubit quantum simulator’, New J. Physics 19, 043001 (2017)
  Zhang, Jingfu; Cucchietti, Fernando M; Laflamme, Raymond & Suter, Dieter