Rechenkunst mit Quantentricks

26.05.2020

Vom 16. bis 21. September 2019 ging es bei den Highlights der Physik in Bonn vor allem darum, wie es der aktuellen physikalischen Forschung gelingt, Unsichtbares sichtbar zu machen. Herzstück des Wissenschaftsfestivals unter dem Motto "Zeig Dich!" war eine Mitmach-Ausstellung auf dem Münsterplatz. An jedem der rund 40 Exponate standen Wissenschaftler aus Bonn und dem gesamten Bundesgebiet für Fragen, Erklärungen und Diskussionen bereit.  Mit unserem Beitrag  Rechenkunst mit Quantentricks  konnten wir allgemeinverständlich die Grundlagen eines auf gespeicherten Ionen basierenden Quantencomputers zeigen. Die Live-Demonstration einer funktionsfähigen Paulfalle, benannt nach dem ehemaligen Bonner Professor Wolfgang Paul, lud zu angeregten Diskussionen rund um das Thema quantencomputing ein. Außerdem gab es Wissenschaftsshows, Live-Experimente, den EinsteinSlam, ein Juniorlabor, Workshops, einen Schülerwettbewerb, zahlreiche Vorträge und jede Menge Wissenschaft zum Anfassen und Ausprobieren.

Entwicklung eines skalierbaren Quantenprozessors

29.10.2018

Die Ralisierung eines Quantencomputers erfordert interdisziplinäre Anstrengungen aus dem Bereich der Grundlagenforschung und dem Ingenieurwesen. Darum organisieren wir in Zusammenarbeit mit Dr. Degenhardt vom Forschungszentrum Jülich einen Workshop im Zeitraum vom 23.04.19 bis 26.04.19 im Physikzentrum Bad Honnef.

Sobald Quantencomputer, für einen verbreiteten Einsatz verfügbar sind, werden sie die Art und Weise revolutionieren, wie wir neues Wissen erlangen und anwenden können. Die Suche nach einem skalierbaren Quantencomputer wird bisher hauptsächlich von Physikern und Informatikern vorangetrieben. Diese Aufgabe steht vor Herausforderungen, welche notwendigerweise auch engagierte und zielgerichtete Anstrengungen im Ingenieurwesen erfordern. Intensive innovative Forschung und Entwicklung auf den verschiedenen Gebieten der Technik ist entscheidend, um erfolgreich auf dem Weg zu einem Quantencomputer oder Quantensimulator voranzukommen. Dieser wird in der Lage sein, Probleme zu lösen, welche auf klassischen Computern praktisch unlösbar sind. Der Workshop bringt Forscher aus der Grundlagenforschung und dem Ingenieurwesen zusammen, die an vorderster Front des sich schnell entwickelnden Forschungsgebietes tätig sind. Er wird sich auf die Implementierungen des Quantencomputers und der Quantensimulation mit Halbleitern, supraleitenden Strukturen und eingefangenen atomaren Ionen als physikalische Systeme konzentrieren.

• 695. WE-Heraeus-Seminar

Mit Quantentechnologie in die Zukunft

23.07.2018

Für die neue Ausgabe des Kundenmagazins secuview war der Vorstandsvorsitzende des IT-Sicherheitsunternehmens secunet AG, Rainer Baumgart, bei unserer Arbeitsgruppe zu Besuch. Mit Prof. Christof Wunderlich (Siegen) und Prof. Dieter Meschede (Bonn) diskutierte er den aktuellen Stand der Quantentechnologie im Kontext der IT-Sicherheit.
In der Ausgabe 1|2018 des Kundenmagazins "secuview" ist nun ein Beitrag über den Besuch erschienen.

"Quantentechnologie ist derzeit eines der angesagtesten Themen in Wissenschaft und Technik. Vor allem über die Entwicklung von Quantencomputern wird viel diskutiert, und wenn diese neu- artigen Rechner eines Tages sehr leistungsfähig geworden sind, wird die Kryptographie sich wieder einmal neu erfinden müssen. Während Quantencomputer – neben vielen anderen Einsatzmöglichkeiten – heute gängige Kryptoverfahren bedrohen, zielt das Forschungsgebiet der Quantenkommunikation auf neue, hochsichere Verschlüsselungsmethoden ab. Was viele nicht wissen: Spitzenforschung rund um Quantentechnologien findet mitten in Deutschland statt. Mit Professor Dieter Meschede und Professor Christof Wunderlich hat secuview zwei der ein- flussreichsten Wissenschaftler auf diesem Gebiet besucht, die mit ganz unterschiedlicher Zielsetzung Grundlagenforschung betreiben." - secuview 1|2018

• Mit Quantentechnologie in die Zukunft, secuview 1|2018

Untersuchung zum anomalen Aufheizen gespeicherter Ionen

12.01.2018

Ein wesentliches Hindernis auf dem Weg zur weiteren Miniaturisierung von Ionenfallen, wie sie für viele Komponenten ionenfallenbasierter Quanteninformationsverarbeitung wünschenswert wäre, ist anomales Aufheizen der Ionen. Anomales Aufheizen beschreibt eine inkohärente Verstärkung der Ionenbewegung durch Fluktuationen der elektrischen Felder der Fallenelektroden. Die Größe dieser Fluktuationen übersteigt die Erwartungen aufgrund thermischen Rauschens der Elektroden um mehrere Größenordnungen. Als Grund hierfür wird meist eine Kontamination/Oxidation der Fallenoberflächen angenommen, der tatsächliche Mechanismus hinter der stark erhöhten Aufheizung ist jedoch bisher unverstanden - weshalb dieser Heizprozess als anomal bezeichnet wird.
Eine Möglichkeit der Natur dieses Mechanismus näher zu kommen ist die Untersuchung der Heizrate der Ionen in Abhängigkeit ihres Abstandes zu den Fallenelektroden.
Hierzu haben wir eine spezielle planare Ionenfalle angefertigt, bei der die Ionen-Oberflächen Separation eingestellt werden kann und mit dieser erstmals diese Abhängigkeit direkt vermessen. Unsere Messungen ergeben eine gute Übereinstimmung der Relation mit einem Potenzgesetz mit Exponent -4, das durch einige theoretische Erklärungsmodelle vorhergesagt wird.

• Measuring anomalous heating in a planar ion trap with variable ion-surface separation, I. Boldin et al., Physical Review Letters 120 023201 (2018)

Zuverlässiger Transport von Quanteninformation mit gespeicherten Ionen

02.01.2018

Ein vielversprechender Ansatz skalierbare Quantensimulatoren und Quantencomputer zu bauen ist die Vernetzung mehrerer, kleiner, technisch leichter zu kontrollierender Systemen zu einem großen Gesamtsystem. Dafür ist es notwendig Quanteninformation zwischen den Teilsystemen auszutauschen. Für ionenfallenbasierte Quantencomputer können die Ionen als Quanteninformationsspeicher zwischen verschiedenen Systemen hin und her transportiert werden. Die Transportoperationen müssen dabei so zuverlässig ausgeführt werden, dass der effiziente Einsatz von Fehlerkorrektur-Schemata ermöglicht wird, die für eine Skalierung des Systems unabdingbar sind.
Wir haben in einem Experiment erstmalig zeigen können, dass die transportierte Information zu 99,9994% erhalten bleiben kann und damit weit oberhalb der allgemein akzeptierten Schwelle für den Einsatz von Fehlerkorrekturalgorithmen liegt.
Für das Experiment wurden die Ergebnisse von Ramsey-Messung mit eingebettetem Ionentransport untereinander verglichen. Ein Ytterbiumion wurde hierbei bis zu 4000 mal über einen Distanz von 280 Mikrometern in einer mikrostrukturierten Paulfalle bewegt.

• High-fidelity preservation of quantum information during trapped ion transport, P. Kaufmann et al., Phys. Rev. Lett. 120, 010501 (2018)

Direkte und sympathetische Seitenbandkühlung mit RF-Strahlung

22.11.2017

Laserkühlung ist eine der gut etablierten Techniken zur Kühlung einzelner Atome oder Moleküle. Hierbei wird die Temperatur bzw. die Bewegung der Teilchen durch dissipative optische Prozesse reduziert. Laser-Dopplerkühlung und Laser-Seitenbandkühlung werden heutzutage regelmäßig dazu verwendet um Atome auf den nahezu absoluten Nullpunkt - ihren Schwingungsgrundzustand - zu kühlen. Dies ist oftmals eine Voraussetzung für Experimente der Quantenoptik und Quanteninformationsverarbeitung.
In der jüngsten Vergangenheit wurde erfolgreich auch der Einsatz langwelligerer Strahlung aus dem Bereich der Radiofrequenz (RF) zur Kühlung bis in den Grundzustand demonstriert. Wir haben nun die direkte RF-Seitenbandkühlung für ein einzelnes und zwei gespeicherte Ionen ein einem Magnetfeldgradienten untersucht. Diese Methode weist zudem eine geringe experimentelle Komplexität auf, da keine weiteren RF “dressing fields” benötigt werden. Unsere Experimente zeigen die Seitenbandkühlung bei geringen Fallenfrequenzen, wie sie oftmals auch in Experimenten mit Neutralatomen verwendet werden und eröffnet dadurch ebenfalls eine Perspektive zur Grundzustandskühlung von Neutralatomen mit RF Strahlung.
Darüberhinaus zeigen wir die erstmalige Realisierung einer sympathetischen RF-Seitenbandkühlung eines Zwei-Ionen-Kristalls. Hierbei wird die Temperatur eines zunächst Doppler-gekühlter Kristall aus zwei Ionen weiter abgesenkt, indem auf nur einem Ion die RF-Seitenbandkühlung angewendet wird. Hierdurch können auch Ionen, die keine leicht zugänglichen Kühlübergänge aufweisen, mit Hilfe einer leichter kühlbaren Ionenspezies nahe an den absoluten Nullpunkt gekühlt werden. Diese Methode komplementiert somit die klassische sympathetische Kühlung mit Laserstrahlung.

• Radio frequency sideband cooling and sympathetic cooling of trapped ions in a static magnetic field gradient, T. Sriarunothai et al., Journal of Modern Optics DOI:10.1080/09500340.2017.1401137 (2018)

Die Quantenrevolution - ARTE Wissensmagazin zu Gast in Siegen

05.09.2017

Das ARTE Wissensmagazin Xenius war für seine neue Ausgabe Die Quantenrevolution: Wie sie unsere digitale Welt verändert zu Gast bei unserer Arbeitsgruppe.
Für ihre Recherchen zu abhörsicher Kommunikation, Hochleistungsrechnern, die heutige Superrechner in den Schatten stellen, und zentimetergenauen GPS-Systemen stellte sich dem Team die Frage "Was ist die neue Quantentechnik und warum ist um sie ein weltweiter Wettlauf entbrannt?".
Um Antworten auf diese Frage zu bekommen besuchte das Magazin die Forschungsgruppen von Prof. Rainer Blatt in Innsbruck, Prof. Anton Zeilinger in Wien und Prof. Christof Wunderlich in Siegen.
Prof. Christof Wunderlich erklärte anschaulich wie der Quantencomputer durch die Verwendung von Qu(anten)bits anstelle klassicher Bits eine gigantische Zahl an Rechenoperationen gleichzeitig durchführen kann und zeigte die Forschungsarbeit unserer Arbeitsgruppe an Miniaturisierung und Vereinfachung der Quantentechnologie.
Die Sendung wird am 08.09.2017 um 16:50 Uhr auf ARTE ausgestrahlt und in der ARTE Mediathek verfügbar sein.

• Online: Die Quantenrevolution ― Xenius - Das Wissensmagazin auf ARTE,
• TV: 08.09.2017 16:50 Uhr - ARTE

Machine Learning mit einem ionenfallenbasierten Quantenprozessor

05.09.2017

In einer Kollaboration mit der Universität Innsbruck (Österreich), dem IQOQI Wien (Österreich) und dem Max-Planck-Institut für Quantenoptik bei München, haben wir ein proof-of-principle Experiment durchgeführt, das neuartige Konzepte auf dem Gebiet der künstlichen Intelligenz mit der Leistungsfähigkeit ionenfallenbasierter Quantencomputer verbindet.
Für diese erstmalige experimentellen Demonstration eines quantenverstärkten reinforcement learning Systems untersuchten wir einen quantenlernenden Agenten in einer sich rapide ändernden Umgebung. Wir konnten hierbei, im Kontext des Models projizierender Simulationen, eine generische Beschleunigung der Bedenkzeit mit einem System von zwei Qubits auf Basis hochfrequenzgesteuerter gespeicherter Ionen zeigen.
Der dem Entscheidungsprozess des Agenten zugrundeliegende Quantenalgorithmus ähnelt hierbei dem Grover-Algorithmus und wurde von uns in einer effizienten Implemenation von Ein-Qubit Quantengattern und bedingter Zwei-Qubit Dynamik realisiert.
Unsere Ergebnisse bestätigen, im Rahmen der experimentellen Genauigkeit, die theoretische Vorhersage eines quadratischen Geschwindigkeitsvorteils im Entscheidungsprozess für einen quantenlernenden Agenten gegenüber einem klassisch lernenden Agenten, und unterstreichen das Potential eines skalierbaren ionenbasierten Quantencomputers auf den Gebieten des quantenverstärkten Machine Learning und der künstlichen Intelligenz.

• Speeding-up the decision making of a learning agent using an ion trap quantum processor, T. Sriarunothai et al., arXiv: 1709.01366 (2017)

Neue Erkenntnisse zur Quantendynamik in Magnetfeldgradienten

21.08.2017

Neuartige Ionenfallen mit Magnetfeldgradienten ermöglichen die Anwendung bedingter Quantenlogik, der grundlegenden Voraussetzung für Quantum Computing, mit Hochfrequenz-Signalen, die mit industriellen Standardkomponenten erzeugt werden können.
Wir zeigen, dass der Hamiltonian der notwendigen Kopplungen für einen resonanten dynamischen Magnetfeldgradienten (beschrieben in einer Dressed-State Basis) identisch ist zu dem Hamiltonian im Fall eines statischen Gradienten und dass die Kopplungsstärke in beiden Fällen durch den gleichen effektiven Lamb-Dicke Parameter beschrieben wird.
Unsere Erkenntnisse können zum einen dazu genutzt werden, die hohen experimentellen Hürden beim Einsatz von dynamischen Magnetfeldgradienten in aktuellen Experimenten mit gespeicherten Ionen, zu überwinden, wie sie z.B. zur Quanteninformationsverarbeitung durchgeführt werden.
Zum anderen zeigt unsere Forschung neue experimentelle Perspektiven auf, wie ein einzelner dynamischer Gradient durch die Erzeugung einer langreichweitigen Kopplung für bedingte Multi-Qubit Dynamik genutzt werden kann.

• Quantum dynamics of trapped ions in a dynamic field gradient using dressed states, S. Wölk and Ch. Wunderlich,New Journal of Physics 19 083021 (2017)

Start des Pilotprojekts optIclock

01.05.2017

Zum 1. Mai 2017 startete das erste Pilotprojekt Optische Einzelionenuhr für Anwender (optIclock) der QUTEGA Initiative des Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF). Innerhalb von drei Jahren ist es unser Ziel im Verbund mit Forschern der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt Braunschweig, der Universität Bonn und des Ferdinand-Braun-Institut Berlin sowie den Industriepartnern der High Finesse GmbH, der Menlo Systems GmbH, der QUARTIQ GmbH, der Qubig GmbH, der TOPTICA Photonics AG und der Vacom GmbH, einen Demonstrator für eine optische Einzelionenuhr zu realisieren. Die optIclock (optical Ion clock) soll mit einer Genauigkeit im Bereich von 10^-15 bis 10^-17 besser als jeder kommerzielle Frequenzstandard und im Gegensatz zu aktuellen Laborlösungen in Forschungseinrichtungen transportabel, einfach bedienbar und damit für Anwender einsetzbar sein. In der optIclock wird ein einzelnes geladenes Atom in einer elektrodynamischen Falle im Ultrahochvakuum gefangen und mit Lasern auf wenige Tausendstel Grad über dem absoluten Temperatur-Nullpunkt abgekühlt. Ein sogenannter Uhrenlaser, wird dann zur hochpräzisen Frequenzbestimmung auf einen optischen Übergang dieses Atoms geregelt. Die Anwendertauglichkeit als besonderer Gegenstand dieses Pilotprojektes wird durch Miniaturisierung, Automation und Integration der einzelnen Komponenten sowie durch eine umfassende Gesamtsystemarchitektur ermöglicht werden.

• Webseite des Projekts: www.opticlock.de
• Webseite der BMBF Quantentechnologie Initiative: www.qutega.de