Photonische nichtabelsche Quantengatter

• Antragsteller: Professor Dr. Stefan Scheel; Professor Alexander Szameit, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 507228293

Das Gebiet der Quanteninformationsverarbeitung, welches erst in den vergangenen Jahrzehnten entstand, beschäftigt sich mit der Fragestellung, inwieweit die Verwendung von quantenmechanischen Effekten beim Speichern, Verarbeiten und Übertragen von Informationen in inhärent quantenmechanischen Systemen zu neuen Phänomenen, Funktionalitäten und Apparaturen führen kann. Quanteninformationsverarbeitung ist einerseits in der Grundlagenforschung fest verankert, andererseits spielt es eine bedeutende Rolle bei der Entwicklung neuer Technologien. Photonische Quantensysteme weisen eine Reihe von Vorteilen auf, die von geringer Dekohärenz bis zu quantenmechanischer Kontrollierbarkeit einzelner Teilchen und hoher Mobilität reichen. Mit Lasern geschriebene integrierte photonische Wellenleiter bieten eine einzigartige Möglichkeit, komplexe und stabile Quanteninformationsprozesse mit unerreichter Flexibilität zu implementieren. So wurden kürzlich nicht-Abelsche geometrische Phasen erfolgreich erzeugt, die nicht-Abelschen synthetischen Eichfeldern entsprechen. Solche Phasen sind überaus wichtig für topologisches Quantencomputing, nicht-Abelsche Anyonenstatistik sowie die Quantensimulation von Yang-Mills-Theorien. Die Idee unseres Projektes ist die Implementierung photonischer nicht-Abelscher U(N)-Holonomien in integrierten Wellenleiterarchitekturen. Unsere Vision ist die Etablierung einer Grundlage für neuartige Anwendungen in der Quanteninformationsverarbeitung im Rahmen des "noisy intermediate-scale quantum (NISQ) processing". Im Einzelnen wird unser Projekt (1) die theoretischen Grundlagen sowie die experimentelle Demonstration einer U(3)-Holonomie mit zwei ununterscheidbaren Photonen in einem Netzwerk mit gekoppelten Moden liefern, in dem Biegungsverluste optimiert wurden, (2) einen konzeptuellen Rahmen für nicht-orthogonale und nicht-adiabatische Zustandsevolution entwickeln und demonstrieren, der es erlaubt, größere entartete Eigenräume wie eine U(4)-Holonomie mit zwei Photonen zu erreichen, und (3) verschiedene holonome Quantengatter implementieren und holonome Quanteninformationsprotokolle experimentell demonstrieren. Die Stärke unseres Projekts resultiert aus der Kombination zweier fruchtbarer Forschungsrichtungen: der Manipulation von Mehrphotonenzuständen sowie integrierter optischer Netzwerke. Damit können grundlegende Konzepte der Quanteninformationsverarbeitung untersucht werden, die einerseits für die Grundlagenforschung, aber andererseits auch für Anwendungen der Photonik wichtig sind.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen