Nutzung exzeptioneller Punkte für eine verbesserte Quantenkontrolle und Informationsverarbeitung

• Antragsteller: Dr. Ioan Pop; Professor Dr. Bernd Rosenow; Professor Dr. Alexander Shnirman
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Physik der kondensierten Materie ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 536777080

Das Verständnis der Dynamik offener Quantensysteme ist von zentraler Bedeutung für zahlreiche Aspekte der Quantenphysik, darunter Plattformen zur Verarbeitung von Quanteninformationen, Stabilisierung von Quantenzuständen und Dephasierung von Interferenzphänomenen. Ein wichtiges Instrument zur Erörterung der Dynamik solcher Quantensysteme besteht darin, sie mit nicht-hermiteschen Hamiltonians zu beschreiben. Dies führt zu einer Fülle von Effekten, von denen einer das Auftreten von exzeptionellen Punkten (EPs) ist. EPs beschreiben die Entartungen von nicht-hermiteschen Operatoren, bei denen entartete Eigenwerte denselben Eigenvektor teilen. Die Untersuchung von solchen EPs hat zwar eine Vielzahl faszinierender Phänomene zutage gefördert und bietet den Vorteil der Einfachheit, aber die Verwendung von nicht-hermiteschen Hamiltonians wirft auch Schwierigkeiten auf, wie die Nichterhaltung der Wahrscheinlichkeit. In jüngerer Zeit wurden EPs im Rahmen der Liouville-Gleichung untersucht, einem Rahmen, der die Beschränkungen der nicht-hermiteschen Hamiltonians überwindet. EPs wurden im klassischen Viel-Photonen-Regime ausgiebig erforscht, und kürzlich wurde eine erste experimentelle Demonstration von EPs in einem supraleitenden Qubit erreicht. Unser Ziel ist es, die mit EPs verbundenen Funktionen zu untersuchen (einschließlich Liouvillianischer und post-selektierter nicht-hermitescher Hamiltonscher EPs) und sie zur Verbesserung der Geschwindigkeit und Genauigkeit der Quantenkontrolle und Quanteninformationsverarbeitung zu nutzen. Es gibt immer mehr Belege dafür, dass die Leistung tatsächlich durch die Abstimmung auf die Umgebung eines EP optimiert werden kann, ein Aspekt, den wir weiter untersuchen wollen. Autonome Fehlerkorrekturprotokolle, wie z. B. Blind Steering, haben das Potenzial gezeigt, die Vorbereitung von Quantenzuständen schneller und zuverlässiger zu machen, wenn sie auf einen EP abgestimmt sind. Unsere Forschung wird untersuchen, wie die Robustheit solcher Protokolle gegenüber statischen und dynamischen Fehlern durch eine ähnliche Abstimmung verbessert werden kann. Unser Forschungsansatz verbindet theoretische Untersuchungen mit experimenteller Umsetzung, wobei modernste Chips mit mehreren supraleitenden Transmon-Qubits zum Einsatz kommen. Diese bieten ausreichend lange Kohärenzzeiten sowie die volle Abstimmbarkeit jedes einzelnen Qubits, und damit die ideale Kopplungskonnektivität für die Durchführung von Quantenmessungen kollektiver Observablen. Wir wollen von der Herstellung eines einzelnen Qubit-Zustands zur Demonstration einer einfachen Fehlerkorrektur sowie zur Quantensteuerung in einen beliebigen kollektiven Zustand mehrerer Qubits übergehen. Unser Ziel ist es, "blinde Messungen" zu realisieren und zu untersuchen, ob die Nähe eines Liouvillschen EP eine optimale Steuerung ermöglicht und wie diese optimale Steuerung im Vergleich zu aktiven Steuerungsprotokollen aussieht.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen