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Titelaufnahme

Titel
Quantum Computation and Many-Body Physics with Trapped Ions
VerfasserJurcevic, Petar
Betreuer / BetreuerinBlatt, Rainer ; Roos, Christian F.
Erschienen2017
Umfang204 Seiten
HochschulschriftInnsbruck, Univ., Diss., 2017
Anmerkung
Arbeit an der Bibliothek noch nicht eingelangt - Daten nicht geprüft
Datum der AbgabeJanuar 2017
SpracheEnglisch
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Quanten Computer / Quanten Simulation / Quanten Information / Quanten Discord / Messbasierter Quantencomputer / Wechselwirkuns-Spektroskopie / Lieb-Robinson / Lichtkegel / Spin-Spin Wechselwirkung / Ising Wechselwirkung / Transverses Ising Modell / Verschränkung / Ionen / Paulfalle / Raidale Bewegungs Moden / Lange Ionenketten / Quanten Gatter / Entropie / Synentropy / Korrelationen / Quanten Korrelationen / Qubit / Calcium 43 / Calcium ionen / Magnetismus / Spinwelle / Quasiteilchen / Atom-Licht Wechselwirkung / Quanten optic / Stabilisiereung der radial moden / Quanten Fehlerbehebung / Rauschprozesse / Rauschprozesse und Discord / Harmonisches Oszillator / Quanten harmonischer Oszillator / Magnus Entwicklung / Analoge Quantensimulation
Schlagwörter (EN)Quantum Computation / Quantum Simulation / Quantum Information / Quantum Discord / Measurementbased quantum computation / Interaction Spectroscopy / Quasi-Particles / Lieb-Robinson bounds / Light cone / Spin-Spin interction / Ising interaction / Ising Hamiltonian / Transverses Ising interaction / Entanglement / Ion / Paul trap / Raidal motional modes / Long Chains of Ions / Quantum Gates / Entropy / Mutual information / Correlations / Quantum Correlations / Qubit / Calcium 43 / Calcium ions / Engineered interactions / Tunable interactions / Magnetism / Spin waves / Atom light interactions / Quantum optics / Stabilization of radial modes / Quantum error correction / Noise processes / Noise processes and Discord / Harmonic Oscillator / Quantum harmonic oscillator / Magnus expansion / Analoge quantum simulaton
URNurn:nbn:at:at-ubi:1-6160 Persistent Identifier (URN)
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Quantum Computation and Many-Body Physics with Trapped Ions [44.33 mb]
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Klassifikation
Zusammenfassung (Deutsch)

In den letzten zwei Dekaden hat sich die Quanteninformationswissenschaft zu einem blühenden Fachgebiet entwickelt, in dem grossartige Fortschritte, von theoretischer und experimenteller Seite her, in Richtung kommerziellen Anwendungen stattgefunden haben. In dieser Dissertationsschrift werden vier Experimente vorgestellt, die sich mit unterschiedlichen Aspekten der Quanteninformationswissenschaft beschäftigen. Als physikalische Plattform um Quanteninformation zu kodieren, dienen 40Ca+-Ionen, gefangen in einer makroskopischen, linearen Paulfalle, die mit Hilfe von Laserlicht kohärent manipuliert werden können. Aufbauend auf einem existierenden Experiment, wurden Techniken entwickelt und angewandt um lange Ionenketten kontrolliert zu manipulieren. Hierbei werden die Möglichkeiten des gegenwärtigen Aufbaus aufgezeigt. Zwei der Experimente, die in dieser Arbeit vorgestellt werden, beschäftigen sich mit der Quantensimulation von wechselwirkenden Vielteilchensystemen. Im ersten der beiden Experimente geht es um die erstmalige Beobachtung wie sich Verschränkung in einem solchen Vielteilchensystem ausbreitet. Des Weiteren wurde die Abhängigkeit dieser Ausbreitung für unterschiedliche Wechselwirkungslängen untersucht. Das nachfolgende Experiment befasst sich mit einer neu-entwickelten spektroskopischen Methode, um ebendiese wechselwirkenden Systeme auf ihre Eigenschaften zu untersuchen. Der Fokus des dritten Experimentes liegt auf einem spezifischen Model der Quantenrechnung, das sogenannte messbasierte Quantenrechner-Model. Dabei wurden die grundlegenden Bausteine des messbasierten Quantenrechners, sogenannte Cluster-Zustände, erstmalig deterministisch erzeugt. Darüber hinaus wurden Cluster-Zustände unterschiedlicher Größe im Hinblick auf Fehlerkorrekturcodes erzeugt, die, unseres Wissens nach, erstmalig nachweisen, dass längere Codewörter in der Tat Quanteninformation besser beschützen können, trotz der höheren Komplexität bei deren Herstellung. Das vierte und letzte Experiment erforscht eine grundlegende Art von Quantenkorrelationen in gemischten Zuständen, die man auch als “Quanten-Zwietracht” (Quantum discord) kennt. Hier wird die Frage untersucht, wie Quanten-Zwietracht durch unterschiedliches Rauschen erzeugt werden kann, genauer gesagt durch Amplitudenzerfall und korreliertes Magnetfeldrauschen. Hierbei wurde die Quanten-Zwietracht durch unterschiedliche Metriken quantifiziert. Im letzten Kapitel dieser Arbeit werden die Limitierungen des derzeitigen Aufbaues bezüglich langer Ionen-Ketten erläutert und wenn möglich, werden Lösungen diskutiert. Darüber hinaus werden offene Fragen vorgestellt, die in Zukunft untersucht werden müssen, um ein besseres Verständnis der Limitierungen zu erhalten. Zum Abschluss folgt ein kurzer Ausblick auf mögliche Verbesserungen des experimentellen Aufbaues und Ideen für zukünftige Projekte werden vorgestellt.

Zusammenfassung (Englisch)

Over the last two decades, quantum information science has made significant progress, both theoretically and experimentally, evolving into a prosperous field with potential commercial applications within the next decade. This PhD thesis reports on four different experiments, performed over the last few years, all investigating various aspects of quantum information science. 40Ca+-ions trapped in a macroscopic, linear Paul trap serve as a qubits encoding quantum information that are coherently manipulated with laser light fields. These four experiments utilise an existing experimental arrangement, adapted to allow coherent manipulation of long ion strings, thus demonstrating the capabilities of the current setup. Two of the experiments presented in this thesis are focused on quantum simulations of interacting many-body systems. In the first experiment, the propagation of entanglement in such a many-body system is experimentally observed for the very first time. Additionally, the systems response is investigated as the spatial range of the interactions is tuned. The following experiment employs a novel spectroscopic method for probing these interacting many-body systems. The third experiment focuses on quantum computation, specifically the measurement-based quantum computation approach. Here, the deterministic generation of cluster states in trapped ions is demonstrated for the first time. Moreover, certain cluster states are used to implement error correction codes of different sizes, granting, to the authors knowledge, the first experimental evidence that larger code words are indeed capable of better protecting quantum information, despite the higher complexity of their preparation. The fourth and last experiment explores a type of quantum correlation present in mixed states, known as quantum discord. The generation of quantum discord via two different, noisy processes -that is, amplitude damping and correlated magnetic field noise - is investigated, and the generated discord is quantified by different measures. In the last part of this thesis, the limitations of the current setup are presented and, if possible, potential solutions are discussed. Furthermore, open questions encountered in the experimental setup are addressed for future investigations in order to obtain a better understanding of further limitations. A brief outlook on possible improvements to the experimental setup, as well as ideas for future projects, conclude this manuscript.