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.
- 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.
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
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.
- Blueprint for a microwave trapped ion quantum computer, B. Lekitsch et al.,Science Advances 3 (2017)
- Interview mit Prof. Dr. Ch. Wunderlich
- Berichterstattung von Nature, BBC, Financial Times
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.
Ionenkristalle mit uniformem Ion-Ion Abstand
23.03.2016
Eindimensionale Ionenkristalle mit einem uniformen Ion-Ion Abstand stellen eine interessante Alternative zu harmonisch gespeicherten Ionenkristallen dar, in denen die einzelnen Ionen unterschiedliche Abstände aufweisen. Wir haben eine Beschreibung der statischen und dynamischen Eigenschaften von solchen eindimensionalen Ionenkristallen erarbeitet. Diese spezifische Ionenanordnung wird durch ein glattes, anharmonisches, effektives Potential erreicht, das entweder durch entsprechende Spannungskonfigurationen einer normalen segmentierten Ionenfalle oder die spezielle Ausformung der Fallengeometrie erzeugt wird. Unsere Beschreibung liefert analytische Ausdrücke für das benötigte elektrische Feld, das elektrische Potential und die Normalmoden-Matrix. Desweiteren zeigt sich, das solche Ionenkristalle auch bei endlicher Größe sehr gut die kritische radiale Bindungsstärke eines unendlichen Systems im Übergang einer linearen zu einer Zickzack Konfiguration reproduzieren. Ausgehend von der Normalmoden-Matrix zeigen wir, dass Kristalle mit uniformem Ion-Ion Abstand eine festkörperähnliche Bandstruktur der Normalmoden aufweisen und bestimmen die effektiven Spin-Spin Kopplungen eines solchen Kristalls in einem externen Magnetfeldgradienten. Weiter zeigen wir, wie Freiheitsgrade in Potential, Normalmoden und Kopplungen so ausgenutzt werden können, dass homogene Ionenabstände erhalten bleiben und geben numerische Beispiele für die Erzeugung eines solchen Potentials in einer segmentierten Paulfalle und für die Optimierung einer speziellen Fallengeometrie.
- Isospaced Ion Strings, M. Johanning, Applied Physics B 122:71 (2016)