Bachelorarbeitsthemen 2017

Voraussetzungen:

• Lineare Algebra und Analysis 1
• Einführung in die Physik
• Physik 1b
• Physik II
• Physik III
• Min. eine LV aus dem Modul Physik IV
• Theoretische Physik I

Themenliste:

1. Hohlraum-Quantenelektrodynamik mit photonischer Kristalle (TN)
2. Hybride Systeme mit Ionen und kalten Atomen (PS)
3. Verschiedene Arten von Verschränkung und deren Erzeugung im Labor (BL)
4. Quantengatter höchster Güte (RB)
5. Quantenlogik-Spektroskopie (CR)
6. Quantenspeicher (TN)
7. Starke Licht-Atom-Wechselwirkung im freien Raum (YC)
8. Quanten-Zustandsdistillation (PS)
9. Richtkopplung in eine geführte Lichtmode (YC)
10. Quantenfehlerkorrektur (TM)
11. Optische Frequenzstandards und deren Anwendungen (TM)
12. Digitale und analoge Quantensimulatoren (TM)
13. "Quantum supremacy" und die Validierung eines klassisch nicht berechenbaren Problems (TM)

Betreuer:
BL: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it., CR: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it., TN: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it., PS: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it., RB: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it., YC: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.

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Themen Beschreibung:

1. Hohlraum-Quantenelektrodynamik mit photonischer Kristalle (Betreuer: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.)

In der Hohlraum-Quantenelektrodynamik wird die Wechselwirkung zwischen einzelnen Atomen und einzelnen Photonen mit Hilfe eines Resonators erforscht.  Diese Wechselwirkung ermöglicht die Erforschung des Übergangs zwischen der Quantenwelt und der makroskopischen Welt und kann auch als Schnittstelle in Quantennetzwerken verwendet werden. Der typische Resonator für optische Wellenlängen besteht aus zwei aufeinandergerichteten Spiegeln. Inzwischen gibt es neuartige Resonatoren, basierend auf photonischen Kristallen, die neue Perspektiven für Experimente eröffnen, weil sie eine sehr hohe Kopplungstärke zwischen Licht und Materie und zweidimensionale Geometrien aufweisen.

Literatur:

• Nanophotonic quantum phase switch with a single atom, T. G. Tiecke et al., Nature 508, 241 (2014)
• Superradiance for atoms trapped along a photonic crystal waveguide, A. Goban et al., Phys. Rev. Lett. 114, 063601 (2015)
• Subwavelength vacuum lattices and atom-atom interactions in two-dimensional photonic crystals, A. González-Tudela et al., Nature Photon. 9, 320 (2015)

 

2. Hybride Systeme mit Ionen und kalten Atome (Betreuer: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.)

Ultrakalte Atome und gespeicherte Ionen haben in der Atom- und Molekülphysik eine neue Ära eingeläutet. Mit moderner Lasertechnik ist es möglich, eine große Anzahl neutraler Atome in optischen Fallen zu speichern und zu kühlen. Einzelne Ionen können durch elektrische Felder für lange Zeit gefangen werden, was es ermöglicht, deren Quantenzustände mit Laserpulsen zu manipulieren. Wenn man diese beiden Systeme kombiniert, kann man ein einzelnes, geladenes Atom in einem Bad aus vielen neutralen Atomen positionieren. Solche Systeme eignen sich hervorragend, um chemische Reaktionen unter präzise definierten Verhältnissen zu untersuchen. Weiters können die Eigenschaften großer Quantensysteme mit einem einzelnen Teilchen als Probe untersucht werden. Im Rahmen dieser Arbeit soll die unterliegende Physik und die experimentellen Probleme analysiert werden.

Literatur:

• Andrew Grier et al., Phys. Rev. Lett. 102, 223201 (2009)
• Carlo Sias, Michael Köhl, arXiv:1401.3188v1

 

3. Verschiedene Arten von Verschränkung und deren Erzeugung im Labor (Betreuer: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.)

The ability of physical systems to become entangled is one of the most surprising and counterintuitive properties of nature. Entanglement can be considered to be a fundamental resource: it can be moved around between different physical systems and used to carry out computation, measurement and communication tasks that are thought to be otherwise impossible. As such, improving our understanding of entanglement and ability to control it in the laboratory is an important research direction. In this project we will look at entanglement from an experimentalist’s perspective: starting with the simplest case of entanglement between two systems (particles) and then moving on to multiple systems, in which different types of entanglement emerge. Our focus will be on how to describe, generate and detect entanglement in the laboratory, in particular entanglement between single photons and between trapped ions.

Literatur:

• Quantum entanglement, Horodecki et al., Rev. Mod. Phys. 81, 865 (2009)
• Ultrabright source of polarization-entangled photons, P. Kwiat et al.,  Phys. Rev. A 60, R773(R), (1999)
• Entangled states of trapped atomic ions, R. Blatt & D. J. Wineland, Nature 453, 1008-1015 (2008)
• Scalable multi-particle entanglement of trapped ions, H. Häffner et al., Nature 438, 643-646 (2005)
• 14-Qubit Entanglement: Creation and Coherence, T. Monz, et al., Phys. Rev. Lett. 106, 130506 (2011)

 

4. Quantengatter höchster Güte (Betreuer: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.)

Für die Realisierung von Quantencomputern werden derzeit eine Reihe von verschiedenen Plattformen untersucht, insbesondere gespeicherte Ionen in Paulfallen, supraleitende Schaltkreise, sowie atomare und Festkörpersysteme. Für jede dieser Realsierungen sind Gatteroperationen notwendig, um universelle Quantenrechnungen zu implementieren. Die Qualität der jeweiligen Quantengatter ist entscheidend für die Realisierung von Quantenrechnungen und Quantensimulationen. Speziell für die Implementierung von Verfahren zur Quantenfehlerkorrektur sind Quantengatter höchster Güte notwendig. Im Rahmen dieser Arbeit soll eine Übersicht über die derzeitigen Gatteroperationen und deren Implementierung gegeben werden. Damit verbunden ist sind die Verfahren zur Messung und ggf. zur Verbesserung der Güte von Quantengattern.

Literatur:

• Christopher J. Ballance, “High-Fidelity Quantum Logic in Ca⁺”, Dissertation Oxford 2014
• J. Benhelm et al., “Towards fault-tolerant quantum computing with trapped ions”, Nature Physics 4, 463 (2008)
• T. P. Harty et al., “High-Fidelity Preparation, Gates, Memory, and Readout of a Trapped-Ion Quantum Bit”, Phys. Rev. Lett. 113, 220501 (2014)

 

5. Quantenlogik-Spektroskopie (Betreuer: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.)

Der Begriff Quantenlogik-Spektroskopie beschreibt eine Spektroskopie-Technik, bei der quantenmechanische Verschränkung für Spektroskopie-Experimente mit einzelnen Ionen eingesetzt wird. Spektroskopische Präzisionsmessungen an einzelnen Atomen sind die Grundlage für die Konstruktion hochpräziser Atomuhren und auch für Experimente, die die Messung von Naturkonstanten zum Ziel haben. Eine große Herausforderung besteht allerdings für viele interessante Atomspezies darin, die spektroskopische Anregung eines Atoms zu detektieren. Quantenlogik-Spektroskopie löst dieses Problem, indem das „Spektroskopie-Ion“ zusammen mit einem „Logik-Ion“ gespeichert wird. Die spektroskopische Information wird dann über verschränkende Wechselwirkungen auf das Logik-Ion transferiert und anschließend durch eine Quantenmessung am Logik-Ion ausgelesen.

Literatur:

• Spectroscopy using quantum logic, P. Schmidt et al, Science 309, 749 (2005).
• Optical clocks and relativity, C. W. Chou et al, Science 329, 1630 (2010).

 

6. Quantenspeicher (Betreuer: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.)

Quantenspeicher sind wesentliche Bausteine, nicht nur für Quantencomputer, sondern auch für Quantenverstärker (englisch quantum repeater), die für die Übertragung von Quanteninformation über weite Entfernungen ermöglichen sollen. Zwei konkrete Beispiele für experimentell realisierte Quantenspeicher sind (1) Ensembles kalter Atome und (2) mit Lanthanoiden dotierte Kristalle. In dieser Bacheloarbeit sollen der aktuelle Stand der Wissenschaft sowie offene Fragen diskutiert werden. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Fragestellung wie Informationen auf der Quantenebene kohärent gespeichert werden können.

Literatur:

• Optical quantum memory, A. I. Lvovsky, B. C. Sanders, and W. Tittel, Nature Photon. 3, 706 (2009); arXiv version
• Quantum memory for photons, M. Afzelius, N. Gisin, and H. de Riedmatten, Phys. Today 68, 42 (2015)
• Coherent spin control at the quantum level in an ensemble-based optical memory, P. Jobez et al., Phys. Rev. Lett .114, 230502 (2015)
• Controlled rephrasing of single collective spin excitations in a cold atomic quantum memory, B. Albrecht et al., Phys. Rev. Lett. 115, 160501 (2015)

 

7. Starke Licht-Atom-Wechselwirkung im freien Raum (Betreuer: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.)

How strong can the interaction between a focused light beam and a single atom be? This fundamental question has been investigated with a renewed interest in the recent years in the context of quantum information processing. The light-atom coupling can be increased within certain limits by using a tightly focused beam and an optimized polarization configuration. In the case of a single-photon light beam, maximizing the absorption by the atoms requires to shape the photonic waveform into a specific time profile. We will investigate the physical limitations to this light-atom interaction in free space and have an in-depth review of the current experimental efforts around the world.

Literature:

• Single atom in free space as a quantum aperture, Vittorio Giovannetti, S. J. van Enk and H. J. Kimble, Phys. Rev. A 61, 051802 (2000)
• Strong interaction between light and a single trapped atom without the need for a cavity, M. K. Tey et al., Nature Phys. 4, 0924 (2008)
• Perfect excitation of a matter qubit by a single photon in free space, M. Stobinska, G. Alber, and G. Leuchs, EPL 86, 14007 (2009)

 

8. Quanten-Zustandsdistillation (Betreuer: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.)

Quantencomputer können gewisse Aufgaben exponentiell schneller lösen als herkömmliche Rechenmaschinen. Es ist jedoch sehr schwierig, große Systeme in die dafür benötigten Quantenzustände mit ausreichender Qualität zu bringen. Eine Möglichkeit um die Qualität von vorhandenen Quantenzuständen zu erhöhen ist die Destillation eines Zustandes mit hoher Qualität aus mehreren Zuständen mit niedriger Qualität. Diese Technik ist von herausragender Bedeutung für Quantenfehlerkorrektur und auch für die Realisierung eines großen Quantennetzwerks. Diese Arbeit soll das grundlegende Prinzip von Zustandsdestillation und eine Analyse möglicher Realisierungen in unterschiedlichen physikalischen Systemen behandeln.

Literatur:

• Charles H. Bennett et al, Phys. Rev. A 53, 2046 (1996)
• Charles H. Bennett et al, Phys. Rev. Lett. 76, 722 (1996)
• Charles H. Bennett et al, Phys. Rev. A 54, 3824 (1996)

 

9. Richtkopplung in eine geführte Lichtmode (Betreuer: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.)

Certain modes of light propagating in waveguides or whispering gallery mode resonators have a longitudinal E field component, which is absent for plane waves in free space. In 2013 it was discovered that one can exploit this characteristics to excite selectively a travelling wave in a direction of propagation that depends on the polarization of the exciting field. Since then, this effect has been used in several experiments. In a first experiment, light is injected into a nanofiber in a controlled direction by exciting a nanoparticle placed on the waveguide. In a second experiment, a single Rubidium atom is used to switch the propagation of photons in the whispering gallery mode of a Silica microsphere.

Literature:

• Ch. Junge et al., Phys. Rev. Lett. 110, 213604 (2013)
• J. Petersen et al., Science 346, 67 (2014)
• I. Shomroni et al., Science 345, 903 (2014)

 

10. Quantenfehlerkorrektur (Betreuer: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.)

Wenn in einem klassischen Computer ein Fehler auftritt, kann dieser über redundante Rechenschritte detektiert (z.B.: über einen Mehrheitsentscheid) und anschliessend korrigiert werden. In einem Quantencomputer kann man das gleiche Prozedere nicht verwenden: Der realisierte Zustand ist nicht zwangsläufig ein Eigenzustand des Messoperators, die Messung würde Kohärenzen zerstören. Dennoch kann man Fehler auch in einem Quantencomputer detektieren und korrigieren. In dieser Arbeit sollen die entsprechenden Grundlagen erläutert werden, und verschiedene Ansätze (von verschachtelten Kodierungen bis zur topologischen Fehlerkorrektur) angesprochen werden.

Literature:

• Schindler et al., Science 332, 1059 (2011)
• Nigg et al., Science 345, 302 (2014)

 

11. Optische Frequenzstandards und deren Anwendungen  (Betreuer: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.)

Derzeit wird die Sekunde über einen atomaren Radiofrequenz-Übergang definiert. Im Vergleich zu diesem Standard gibt es jedoch bereits Uhren basierend auf optischen Übergängen welche um Größenordnungen genauer arbeiten. In dieser Arbeit sollen die verwendeten Methoden durchleuchtet, die Limits erörtert, und die Anwendungen von optischen Frequenzstandards besprochen werden.

Literature:

• Hall, John L., "Nobel Lecture: Defining and Measuring Optical Frequencies" (2006)

 

12. Digitale und analoge Quantensimulatoren  (Betreuer: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.)

Vor der Realisierung erster voll-funktionsfähiger Quantencomputer werden voraussichtlich Quantensimulatoren implementiert werden. Diese können allgemein in digitale und analoge Simulatoren eingeteilt werden. Beide Klassen haben ihr Vor- und Nachteile bzgl. Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Aussagen. In dieser Arbeit sollen die notwendigen Grundlagen anhand von aktuelle Realisierungen betrachten und diskutiert werden.

Literature:

• Martinez et al., Nature 534, 516 (2016)
• Schindler et al., Nature Phys. 9, 361 (2013)
• Lanyon et al., Science 334, 57 (2011)
• Jurcevic et al., Nature 511, 202 (2014)

 

13. "Quantum supremacy" und die Validierung eines klassisch nicht berechenbaren Problems  (Betreuer: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.)

Kontrollierte Quantensysteme erlauben es Probleme zu betrachten, welche klassisch nicht mehr berechnet werden können. Heißt dies jedoch dass die entsprechenden Ergebnisse nicht mehr kontrolliert werden können? Falls nicht, wie kann man dem Ergebnis trauen? In Rahmen dieser Arbeit sollen hierzu verschieden theoretische und experimentelle Ansätze zur ersten Realisierung von quantenbasierenden Untersuchungen dargelegt werden, welche jenseits unserer klassischen Rechenmöglichkeiten liegen.

• S. Boxio et al, arXiv:1608.00263
• J. Preskill, arXiv:1203.5813