Bachelorarbeitsthemen 2022

Themenliste:

1. Flexible Quantengatter mit Mikrospiegel-kontrollierten Laserstrahlen (CR)
2. Quantengatter höchster Güte ohne Laser (CR)
3. Quantenlogikspektroskopie hochangeregter Ionen (CR)
4. Präzisionsmessungen mit gespeicherten Ionen für Tests des Standardmodells (CR)
5. Superradiant entangled atoms (BL)
6. Ion-trap Quantum Computer Internet (TM)
7. Optical Integration in Quantum Technologies (TM)
8. Kontrollmethoden für bessere Atomuhren (TM)
9. Quantenlogik mit molekularen Ionen (PS)
10. Verifizierung von Quantencomputern (MR)
11. Ein Quantenbit in einen Oszillator kodieren (MR)
12. Selbst-test von Quantensystemen (MR)

Betreuer:
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Themen Beschreibung:

1.) Flexible Quantengatter mit Mikrospiegel-kontrollierten Laserstrahlen (Betreuer: C. Roos)

Themenbeschreibung: Quantenprozessoren auf Basis von gespeicherten Ionenkristallen basieren auf Quantengattern, bei denen genau ein oder genau zwei Ionen durch Laserpulse kohärent angeregt werden. Derartige Gatter können entweder dadurch verwirklicht werden, dass die gewünschten Ionen in den Laserstrahl transportiert werden, oder indem man stark fokussierte Laserstrahlen auf die gewünschten Ionen ausrichtet. Ein Ansatz zur Addressierung besteht nun darin, Laserstrahlen durch mikroelektromechanische Systeme (MEMS), in denen Mikrospiegel über über elektrische Signale kontrolliert werden, auf die Ionen auszurichten. Wang und Kollegen zeigen nun, dass sich mithilfe derartiger MEMS-Systeme verschränkende Ionengatter mit Güten>99% realisieren lassen.

Links:

• “Individual addressing of trapped 171Yb+ ion qubits using a microelectromechanical systems-based beam steering system”, S. Crain et al., Appl. Phys. Lett. 105, 181115 (2014), https://doi.org/10.1063/1.4900754

• "High-Fidelity Two-Qubit Gates Using a Microelectromechanical-System-Based Beam Steering System for Individual Qubit Addressing", Y. Wang et. al, Phys. Rev. Lett. 125, 150505 (2020), https://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.125.150505

 

2.) Quantengatter höchster Güte ohne Laser (Betreuer: C. Roos)

Themenbeschreibung: Quantenprozessoren auf Basis von gespeicherten Ionenkristallen basieren auf Quantengattern, bei denen genau ein oder mehrere Ionen kohärent angeregt werden. Für die Realisierung von verschränkenden Quantengattern hoher Güte sind bis vor kurzem nur Laserpulse verwendet worden, welche Qubits miteinander verschränken über eine Kopplung an Schwingungsmoden des Ionenkristalls. Obwohl es seit geraumer Zeit Vorschläge gibt, verschränkende Quantengatter auch mit Mikrowellenfeldern zu verwirklichen, gibt es er seit kurzer Zeit Experimente, bei denen die Fehlerraten vergleichbar sind mit laser-basierten Gattern.

Links:

• "High-fidelity laser-free universal control of trapped ion qubits", R. Srinivas et al., Nature 597, 209 (2021), https://www.nature.com/articles/s41586-021-03809-4

• “Trapped-Ion Quantum Logic Gates Based on Oscillating Magnetic Fields”, C. Ospelkaus et al., Phys. Rev. Lett. 101, 090502 (2008), https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.101.090502

 

3.) Quantenlogikspektroskopie hochangeregter Ionen (Betreuer: C. Roos)

Themenbeschreibung: Präzisionsspektroskopie hochangeregter Ionen eröffnet neue Perspektiven für den Bau hochpräziser Atomuhren und den Test fundamentaler physikalischer Theorien. Bis vor kurzem wurden hochangeregte Ionen spektroskopisch nur in sogenannten Elektronenstrahl-Ionenfallen untersucht, in denen die kurze Kohärenzzeit Präzisionsmessungen starke Grenzen setzt. Im Jahr 2020 wurde die Genauigkeit derartiger Messungen um viele Größenordnungen verbessert durch Verwendung von Quantenlogikspektroskopie. Bei dieser Technik wird ein zu untersuchendes Ion gemeinsam mit einem anderen Ion in einer Ionenfalle gespeichert und die spektroskopische Information von einem Ion auf das andere übertragen und dort ausgelesen. Darüber hinaus kann durch diese Technik der Bewegungszustand des zu spektroskopierenden Ions zu sehr niedrigen Temperaturen lasergekühlt werden.

Links:

• P. Micke et al., Coherent laser spectroscopy of highly charged ions using quantum logic, Nature 578, 60 (2020), https://www.nature.com/articles/s41586-020-1959-8

• "Spectroscopy Using Quantum Logic", P. Schmidt et al, Science 309, 749 (2005), https://www.science.org/doi/10.1126/science.1114375

 

4.) Präzisionsmessungen mit gespeicherten Ionen für Tests des Standardmodells (Betreuer: C. Roos)

Themenbeschreibung: Gespeicherte, lasergekühlte Ionen erlauben Präzisionsspektroskopie an einem Quantensystem, mit dem man einerseits hochpräzise Atomuhren bauen kann, andererseits aber durch Messung der Übergangsfrequenzen zwischen elektronischen Zuständen auch fundamentale physikalische Theorien testen kann. Vor einigen Jahren wurde der Vorschlag veröffentlicht, durch Messung von Isotopieverschiebungen Informationen über hypothetische neuartige Wechselwirkungen zwischen noch unbekannten Bosonen und Elektronen oder Neutronen zu gewinnen. Solaro und Kollegen stellen nun erste Messungen vor, die dieses Konzept experimentell umsetzen.

Links:

• "Improved Isotope-Shift-Based Bounds on Bosons beyond the Standard Model through Measurements of the 2D3=2 − 2D5=2 Interval in Ca+", C. Solaro et al., Phys. Rev. Lett. 125, 123003 (2020), https://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.125.123003

• "Probing New Long-Range Interactions by Isotope Shift Spectroscopy", J. Berengut et al., Phys. Rev. Lett. 120, 091801 (2018), https://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.120.091801

• "Search for new physics with atoms and molecules", M. Safronova et al., Rev. Mod. Phys. 90, 025008 (2018), https://dx.doi.org/10.1103/RevModPhys.90.025008

 

5.) Superradiant entangled atoms (Betreuer: B. Lanyon)

Themenbeschreibung: The probability of an atom emitting a photon can be strongly enhanced or suppressed by the presence of a second nearby atom. These processes are known in quantum optics as superadiance or subradiance, respectively [1].  While realising such effects in the laboratory requires exquisite control over the properties of single atoms, they could play a key role in enabling the development of light-matter quantum networks.

In 2015, Physicists in Innsbruck observed both super- and subradiant single photon emission from a pair of trapped ionised-atoms in an optical cavity [2,3]. By using quantum logic gates to prepare maximally entangled atom states with a tunable phase, the probability of photon emission into the cavity could be enhanced or suppressed.

This ambituous bachelor thesis offers the chance to learn about entangling trapped ion qubits, cavity-QED and single photon sources. Ideally the student would work out a scheme to extend the experiment to entangled states of three trapped ions, which he or she could be involved in implementing in my lab.

The report can be written in German or English.

Links:

• [1] B. Garraway. “The Dicke model in quantum optics: Dicke model revisited” Phil. Trans. R. Soc. A.3691137–1155 (2011) http://doi.org/10.1098/rsta.2010.0333 https://royalsocietypublishing.org/doi/pdf/10.1098/rsta.2010.0333
• [2]  Casabone, B et al, “Enhanced Quantum Interface with Collective Ion-Cavity Coupling”, Phys. Rev. Lett, 114, 2, 023602 (2015) https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.114.023602
  
• [3]  Bernardo Casabone, “Two ions coupled to an optical cavity: From an enhanced quantum computer interface towards distributed quantum computing”, PhD thesis University of Innsbruck (2015). https://quantumoptics.at/images/publications/dissertation/casabone_diss.pdf

 

6) Ion-trap Quantum Computer Internet (Betreuer: T. Monz)

 

Themenbeschreibung: Die eigentliche Stärke der aktuellen Computer - vom Smartphone zum Laptop bis hin zu Hochleistungsrechenzentren - liegt in der Möglichkeit diese zu vernetzen. Doch wie geht das bei Quantencomputern? Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf Ansätze zur Vernetzung von Ionenfallen. Die Anwendungen reichen von abhörsicheren Verbindungen über weite Distanzen im Bereich der Kommunikation, bis hin zu Netzwerken an Quantencomputern.

 

Links:

• “High-Rate, High-Fidelity Entanglement of Qubits Across an Elementary Quantum Network”, L. J. Stephenson et al., Phys. Rev. Lett. 124, 110501 (2020)
  https://arxiv.org/abs/1911.10841
• "Light-matter entanglement over 50 km of optical fibre", V. Krutyanskiy et al., npj Quantum Information 5, 72 (2019)
  https://arxiv.org/abs/1901.06317

 

7) Optical Integration in Quantum Technologies (Betreuer: T. Monz)

 

Themenbeschreibung: Aktuell befinden sich Quantentechnologien noch in den Kinderschuhen. Viele Komponenten werden manuell gefertigt und ausgerichtet. Langfristig wird es notwendig sein, verschiedene Elemente direkt in die Einheiten zu integrieren - wie es auch bei Halbleitern geschehen ist. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Integration von optischen Wellenleitern direkt in Ionenfallen. Diese Forschung bildet die Grundlagen für neue Quanten-Apparaturen die von der Größe eines Basketballs auf die einer Geldtasche schrumpfen, mit Anwendungen von atomaren Uhren über Kommunikation bis hin zu Quantenrechnern.

 

Links:

• “Integrated optical multi-ion quantum logic”, K. Mehta et al., Nature volume 586, pages533–537(2020)
  https://arxiv.org/abs/2002.02258
• “Integrated multi-wavelength control of an ion qubit”, Nature 586, 538-542 (2020), R. Niffenegger et al., Nature 586, 538-542 (2020)
  https://arxiv.org/abs/2001.05052

 

8) Kontrollmethoden für bessere Atomuhren (Betreuer: T. Monz)

 

Themenbeschreibung: Genaue Atomuhren basieren auf idealerweise ident initialisierten Quantensystemen. Hier spielt die “Temperatur” der Atom vor jeder Messung eine merkliche Rolle - insbesondere wenn man im Bereich von 10-18 Unsicherheit arbeiten will. Normale Kühlmethoden wie Dopplerkühlen reichen an dieser Stelle nicht mehr, und insbesondere Bewegungsmoden die aufgrund experimenteller Details nur schwer zu kühlen sind, stellen Limits dar. Diese Arbeit zeigt, wie man diese Limits umgehen kann, und Uhren mit noch höherer Präzision realisieren kann.

 

Links:

• “Algorithmic Ground-State Cooling of Weakly Coupled Oscillators Using Quantum Logic”, King et al., https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.11.041049

 

9) Quantenlogik mit molekularen Ionen (Betreuer: P. Schindler)

 

Themenbeschreibung: In den letzten Jahrzehnt wurden kleine Quantencomputer mit gefangenen Ionen entwickelt. Dazu werden Methoden benötigt, die eine Wechselwirkung zwischen mehreren, in derselben Falle gespeicherten, Ionen ermöglicht. Diese Operationen werden auch “Quantenlogik” genannt. Es zeigte sich, dass diese Methoden auch verwendet werden können um atomare Systeme zu untersuchen, die mit herkömmlichen Methoden nicht untersucht werden können. Einige der besten atomaren Uhren funktionieren nach diesem Prinzip. In den letzten Jahren haben sind diese Methoden auch verwendet worden, um molekulare Ionen zu untersuchen und zu kontrollieren. Dies ist das zentrale Thema dieser Arbeit.

 

Links:

• M. Sinhal, Z. Meir, K. Najafian, G. Hegi and S. Willitsch, "Quantum non-demolition state detection and spectroscopy of single trapped molecules" Science 367, 1213 (2020)
• Lin, Y., Leibrandt, D.R., Leibfried, D. et al. “Quantum entanglement between an atom and a molecule.” Nature 581, 273–277 (2020). 

 

10) Verifizierung von Quantencomputern (Betreuer: M. Ringbauer)

Themenbeschreibung: Quantencomputer werden immer leistungsfähiger, rechnen aber nachwievor nicht Fehlerfrei. Wie kann man also dem Ergebnis des Quantencomputers vertrauen wenn man es nicht mehr auf dem Laptop nachrechnen kann? Solange der Quantencomputer noch im eigenen Labor steht könnte man die einzelnen Komponenten testen und hoffen, dass sie auch zusammen noch das richtige tun. Nun wandern Quantencomputer aber mehr und mehr in die Cloud und werden von Firmen betrieben denen man vielleicht nicht trauen will. In dieser Forschung geht es um Methoden um sicherzustellen, dass der Quantencomputer tut was er soll, selbst wenn dieser versucht zu schummeln.

 

Links:

• J Carrasco, A Elben et al, "Theoretical and Experimental Perspectives of Quantum Verification", PRX Quantum 2, 010102 (2021)
• C. Greganti, T.F. Demarie, et al, "Cross-Verification of Independent Quantum Devices", Phys. Rev. X 11, 031049, (2021)
• J. Fitzsimons, "Private quantum computation: an introduction to blind quantum computing and related protocols", npj Quantum Information 3, 23 (2017)

 

11) Ein Quantenbit in einen Oszillator kodieren (Betreuer: M. Ringbauer)

Themenbeschreibung: Quantencomputer sind extrem sensibel auf Umwelteinflüsse, welche zu Rechenfehlern führen die schlussendlich die Rechenleistung limitieren. Einer der wichtigsten nächsten Schritte für Quantencomputer ist es daher diese Fehler unter Kontrolle zu bringen. Quanten Fehlerkorrektur zielt hierbei üblicherweise auf redundanter Kodierung eines logischen Quantenbits in viele physikalische Quantenbits ab, was allerdings zu sehr großen Overheads führt und eine experimentelle Realisierung bisher nicht möglich gemacht hat. In dieser Arbeit geht es um einen alternativen Ansatz, in dem ein logisches Quantenbit in einen Oszillator oder ein mehr-niveau-system kodiert wird, was potentiell deutlich effizienter sein kann.

 

Links:

• D Gottesman, A Kitaev, J Preskill, "Encoding a qubit in an oscillator", Phys Rev A, 64,012310 (2001).
• P Campagne-Ibarcq, A Eickbusch, et al, "Quantum error correction of a qubit encoded in grid states of an oscillator", Nature 584, pages 368–372 (2020)

 

12) Selbst-test von Quantensystemen (Betreuer: M. Ringbauer)

Themenbeschreibung: Die Quantenphysik verspricht abhörsichere Kommunikation mit Hilfe von verschränkten Teilchen, perfekte Zufallszahlen und vieles mehr. Diese Versprechen gelten allerdings meist nur unter idealen Bedingungen, welche oft schwer zu überprüfen sind wenn man nur beschränkten Zugriff auf die verwendeten Geräte hat. Quanten selbst-tests bieten eine Möglichkeit Quantenzustände und -Messungen zu zertifizieren, ohne jegliche Information über die Beschaffenheit und Funktionsweise der Geräte welche diese Zustände erzeugen oder messen.

 

Links:

• D. Mayers, A. Yao. "Self testing quantum apparatus", Quantum Info. Comput., 4,273, (2004)
• I. Šupić, J. Bowles, "Self-testing of quantum systems: a review", Quantum 4, 337 (2020)
• I Agresti, B Polacchi, et al, "Experimental Robust Self-Testing of the State Generated by a Quantum Network" PRX Quantum 2, 020346 (2021)
• S. Pironio, A. Acín, et al, "Random numbers certified by Bell’s theorem", Nature 464, 1021–1024 (2010)