Ein Bauplan für einen photonischen Quantencomputer

• Antragsteller: Dr. Farzin Salek Shishavan
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen ; Mathematik
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 524058134

Quantenkommunikation ermöglicht die Übertragung von Daten mit physikalischen Sicherheitsgarantien, deren Raten die Leistungsfähigkeit klassischer Verbindungen übertreffen, und Quantencomputer erlauben die Lösung bestimmter Probleme in einer Geschwindigkeit, welche die jeglicher existierender oder zukünftiger klassischer Computer übertrifft. Quantencomputing mit diskreten Variablen wie Elektronen-Spins mit zwei Zuständen benötigt Temperaturen, welche niedriger sind als im tiefsten Weltall. Im Gegenzug können Systeme, welche kontinuierliche Zustände benutzen (wie zum Beispiel Lichtpartikel/Photonen), bei Zimmertemperatur betrieben werden und sind weniger anfällig für Dekohärenz; solche Systeme erlauben deshalb Miniaturisierung und Massenproduktion. Die Theorie der Quantenfehlerkorrektur bietet neue Techniken, um Quantenalgorithmen, welche fehlerhafte rauschende Photonen benutzen, mit beliebiger Präzision auszuführen. Photonische Quanten-Codes weisen entweder Translations- oder Rotationssymmetrie im Phasenraum auf. Beträchtliche Entwicklungen translationssymmetrischer Codes resultieren aus der Existenz einer Standard-Stabilizer-Code-Theorie für diese Codes; es mangelt jedoch an theoretischem Verständnis und einer einheitlichen Theorie, um Phase-Number Codes systematisch zu definieren. Aus diesem Grund bleiben Fragen der Skalierung, Decodierung und Universalität von Phase-Number Codes unbeantwortet oder vieldeutig. Dieses Projekt zielt darauf ab, das Zusammenspiel im Phasenraum zwischen Rotationssymmetrie und Resistenz der Quantenfehlerkorrektur gegenüber Rotationen und Photonenshifts zu verstehen. Ein solches Verständnis ist aus zwei Gründen eine Voraussetzung, um fehlertolerante und universelle photonische Quantencomputer mit Rotationssymmetrie zu bauen: erstens, um neue rotationssymmetrische Codes zu skalieren und zu konstruieren, und zweitens, um eine universelle Menge von Quantengattern zu entwickeln. Bezüglich des ersten Punktes ist es mein Ziel, einen Stabilizer-Formalismus für rotationssymmetrische Codes zu entwickeln und seine Eigenschaften zu erforschen; dies geschieht entweder, indem bereits existierende Codes, welche kontinuierliche Variablen benutzen, in rotationssymmetrische Codes umgewandelt werden, oder indem rotationssymmetrische Single-Mode-Codes mit Qubit-Codes wie dem Surface Code verkettet werden. Bezüglich des zweiten Punktes ist die Implementierung von Clifford-Operationen geradlinig; nichtsdestotrotz werde ich effiziente Algorithmen für Magic-State-Destillation erarbeiten, um eine universelle Menge von Quantengattern zu konstruieren. Wir sind am Anfang des Zeitalters des Quantencomputing; Quanten-Codes und Techniken, welche in PhoQC entwickelt werden, werden photonische Quantencomputer näher zur Industriereife bringen.

• DFG-Verfahren: WBP Stelle