..
Suche

Personensuche
Veranstaltungssuche
Katalog der UB Siegen
 

Lehrstuhl Experimentelle Quantenoptik

Willkommen auf der Webseite des Lehrstuhls Experimentelle Quantenoptik von Prof. Dr. Ch. Wunderlich an der Universität Siegen.

Unsere experimentellen und theoretischen Arbeiten konzentrieren sich rund um die Entwicklung und Untersuchung neuer Schemata zur Quanteninformationsverarbeitung mit individuell manipulierbaren Atomen und offenen fundamentalen Fragestellungen der Quantenphysik.

Aktuelles

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.

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.

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.

Untersuchung zum anomalen Aufheizen gespeicherter Ionen

10.08.2017

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.

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.

Zuverlässiger Transport von Quanteninformation mit gespeicherten Ionen

07.04.2017

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.

Blaupause für einen Quantencomputer

01.02.2017

Der vielversprechenste Ansatz zum Bau eines großformatigen Quantencomputers ist die modulare Konstruktion aus einzelnen, eigenständigen Einheiten. Gemeinsam mit Wissenschaftlern der University of Sussex (UK), Google (USA), der Aarhus Universitet (Dänemark) und RIKEN (Japan), haben wir eine Blaupause für ein skalierbares Modul eines solchen Quantencomputers basierend auf gespeicherten Ionen und Mikrowellenstrahlung vorgestellt. Diese Modul ist die Basiseinheit für den Bau einer Quantencomputernarchitektur beliebiger Größe. Jedes Modul steuert alle auf ihm ablaufenden Operationen als eigenständige Einheit und seine Herstellung basiert auf Fertigungsprozessen der Halbleiterindustrie die im Rahmen heutiger Technologien erreichbar sind. Die Ausführung der Quantenrechnung mittels Mikrowellen-Gattern benötigt lediglich globale Laser- und Mikrowellenfelder und eine Standard-Vakuumumgebung. Die Skalierung dieser Mikrowellen-Quantencomputer-Architektur über ein Modul hinaus erfolgt dann durch die Verbindung beliebig vieler, identischer Module zu einem großformatigen Quantencomputer.

Analoge Quantensimulation einer Gitter-Eichtheorie mit gespeicherten Ionen

16.09.2016

Die Aussicht Quantensimulationen von Gitter-Eichtheorien durchführen zu können, eröffnet spannende Möglichkeiten unser Verständnis fundamentaler Materieformen zu erweitern. In Zusammenarbeit mit Forschern der Universität Innsbruck (Österreich) haben wir nun gezeigt, dass gespeicherte Ionen unter Ausnutzung ihre internen Pseudo-Spins und externen Schwingungsquanten eine vielversprechende Plattform für solche Simulationen darstellen. Unsere Ideen haben wir anhand zweier komplementärer Konzepte zur Simulation von Gitter-regularisierter Quantenelektrodynamik (QED) in (1+1) Raum-Zeit Dimensionen veranschaulicht. In beiden Fällen arbeitet die Simulation auf Energieskalen signifikant über den typischen Dekohärenzraten experimenteller Aufbauten, so dass Untersuchungen von Phänomenen wie “string breaking”, “Coleman's quantum phase transition” und “false-vacuum decay” möglich werden. Die grundlegenden Ideen der hier vorgestellten analogen Simulationen könnten sich ebenfalls auf anderen Plattformen, wie zum Beispiel supraleitenden Qubits, adaptieren lassen.

Kohärente Quanten-Fouriertransformation mit einem vielseitigen Mikrowellen-Spin-System

08.07.2016

Mittels gespeicherter Ionen haben wie ein maßgeschneidertes, vielseitiges System effektiver Spins demonstriert, dass sowohl für Quantensimulationen als auch als universeller Quantencomputer geeignet ist. Die effektiven Größen und Vorzeichen aller paarweisen Spin-Spin Kopplungen lassen sich hierbei allein durch Steuerung von Mikrowellenstrahlung einstellen. Dies kann nicht nur global sondern auch zur Laufzeit eines Quantenalgorithmus geschehen. Einzelne Spins können von der gleichzeitig durchgeführten, bedingten Quantendynamik des Systems ausgenommen werden und stehen so als Quantenspeicher zur Verfügung. Unter Ausnutzung der simultanen langreichweitigen Kopplungen haben wir mit einem solchen System aus drei Spins eine kohärente Quanten-Fouriertransformation realisiert - einen essentiellen Baustein vieler komplexer Quantenalgorithmen. Dieser Ansatz, allein Mikrowellensteuerung zur Spin-Manipulation einzusetzen, eröffnet eine neue Perspektive um technische und physikalische Herausforderungen bei der Realisierung größerer Quantensimulatoren und Qunatencomputer zu meistern.

Ultrasensitives Einzel-Atom Magnetometer

16.06.2016

Präzisionssensorik, insbesondere hochpräzise Magnetometrie, ist eines der zentralen Forschungsziele im Bereich der Quantentechnologie. Gerade im Bereich der Magnetfeldsensoren muss oftmals ein Kompromiss zwischen Empfindlichkeit, räumlicher Auflösung und detektierbarem Frequenzbereich gefunden werden. In einer Kollaboration mit theoretischen Physikern der Universität für Wissenschaft und Technik Zentralchina (HUST, China), der Hebräischen Universität von Jerusalem (Israel) und der Universität Ulm haben wir nun Schema zur dynamischen Entkopplung adaptiert, dass die Phasenkohärenz unseres Sensors um mehrere Größenordnungen verbessert und dieses mit einem Protokoll zur Magnetfeldmessung kombiniert. Dies ermöglicht uns eine Messempfindlichkeit nahe des Standard-Quantenlimit, die auch im Hochfrequenzbereich erhalten bleibt. Unser Sensor ist hierbei ein einzelnes, atomares Ion. In unseren Experimenten erreichten wir eine Empfindlichkeit von 4.6 pT/√Hz bei der Vermessung eines mit etwa 14 MHz oszillierenden Magnetfeldes. Diese beispiellose Empfindlichkeit, zusammen mit der, durch ein einzelnes Atom gegebenen, Ortsauflösung im Nanometerbereich und der Möglichkeit die detektierbare Frequenz von 0 Hz bis in den Gigahertzbereich einzustellen, könnte unter anderem in magnetischen Bildgebungsverfahren in bisher unerreichbaren Parameterregimen zur Anwendung finden.