Bachelorarbeitsthemen
- TM.1 Ion-trap Quantum Computer Internet (Betreuer: T. Monz)
- TM.2 Optical Integration in Quantum Technologies (Betreuer: T. Monz)
- TM.3 Mit mehr Redundanz zu besserer Fehlerkorrektur (Betreuer: T. Monz)
- TM.4 Laserkühlen von Positronium (Betreuer: T. Monz)
- TM.5 Mechanical detection of nuclear decays (Betreuer: T. Monz)
- TM.6 Quantum computers in diamonds (Betreuer: T. Monz)
- PS.1 Was macht einen Quantenrechner “skalierbar”? (Betreuer: P. Schindler)
- PS.2 Quanteninformation in der Rotation von Molekülen (Betreuer: P. Schindler)
- MR.1 Verifizierung von Quantencomputern (Betreuer: M. Ringbauer)
- MR.2 Ein Quantenbit in einen Oszillator kodieren (Betreuer: M. Ringbauer)
- MR.3 Quantensimulation für die Teilchenphysik (Betreuer M. Ringbauer)
- MR.4 Quantum Random Number Generators (Betreuer M. Ringbauer)
- MR.5 Quantensimulation von chemischen Prozessen (Betreuer M. Ringbauer)
- MR.6 Quantenalgorithmen für Optimierungsprobleme (Betreuer M. Ringbauer) - Eher Theorielastig
- CR.1 Quantensimulation mit 2D-Ionen-Kristallen (Betreuer: C. Roos)
- CR.2 Quantengatter höchster Güte ohne Laser (Betreuer: C. Roos)
- CR.3 Quantenlogikspektroskopie hochangeregter Ionen (Betreuer: C. Roos)
Masterarbeiten
- TM.1 Modulares Ionenfallen-Design (Betreuer: T. Monz)
- TM.2 Skalierbare Quanteninformationsverarbeitung mittels Transport-Operationen (Betreuer: T. Monz), für Programmier-Interessierte
- MR.1 Stabilizing an atomic clock laser to a frequency comb (Betreuer: M. Ringbauer)
- MR.2 Designing entangling gates or a qudit quantum processor (Betreuer: M. Ringbauer)
- CR.1 Programming potentials in a monolithic microfabricated ion trap (Betreuer: C. Roos)
Bachelorarbeitsthemen
TM.1 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
TM.2 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
TM.3 Mit mehr Redundanz zu besserer Fehlerkorrektur (Betreuer: T. Monz)
Themenbeschreibung: Quantencomputer sind, trotz aller Versprechen, aktuell noch sehr fehleranfällig. Quantenfehlerkorrektur verspricht Limitierungen aufgrund von auftretenden Fehlern zu minimieren. Diese Fehlerkorrektur kann aber nicht beliebige Fehler korrigieren, sondern unterliegt auch Randbedingungen. Arbeiten von Google, Honeywell, und Innsbruck zeigen auf, wie man mit besseren Ideen und mehr Redundanz mehr Fehler besser korrigieren kann.
Links:
- “Quantum error correction below the surface code threshold”, Google; https://www.nature.com/articles/s41586-024-08449-y
- “Demonstration of quantum computation and error correction with a tesseract code”, Quantinuum, https://arxiv.org/abs/2409.04628
TM.4 Laserkühlen von Positronium (Betreuer: T. Monz)
Links:
TM.5 Mechanical detection of nuclear decays (Betreuer: T. Monz)
Links:
TM.6 Quantum computers in diamonds (Betreuer: T. Monz)
Links:
PS.1 Was macht einen Quantenrechner “skalierbar”? (Betreuer: P. Schindler)
Ein “nützlicher” Quantenrechner kann numerische Probleme schneller lösen als existierende Supercomputer. Dafür werden jedoch Quantenrechner, die mit zehntausenden Informationsträgern (Qubits) rechnen können, benötigt. Um solche Größen erreichen zu können, muss der Rechner auf einer skalierbaren Architektur aufbauen. Im Rahmen dieser Arbeit soll der Begriff Skalierbarkeit definiert und vorgeschlagene Architekturen für Ionenfallen-Quantenrechner analysiert werden.
D. Kielpinski, C. Monroe, and D. J. Wineland: Architecture for a large-scale ion-trap quantum computer, Nature volume 417, pages 709–711 (2002), https://doi.org/10.1038/nature00784
M. Malinowski, D.T.C. Allcock, and C.J. Ballance: How to Wire a 1000-Qubit Trapped-Ion Quantum Computer, PRX Quantum 4, 040313 https://doi.org/10.1103/PRXQuantum.4.040313
PS.2 Quanteninformation in der Rotation von Molekülen (Betreuer: P. Schindler)
Ionenfallen-Quantenrechner speichern Information üblicherweise in elektronischen Zuständen von einzelnen Atomen. In letzter Zeit konnten auch die Quantenzustände von einzelnen Molekülionen kontrolliert werden. Im Gegensatz zu Atomen bieten Moleküle mehrere Freiheitsgrade an, in denen Quanteninformation gespeichert werden kann. Der Rotationsfreiheitsgrad hat Eigenschaften, die es ermöglichen Quanteninformation robust darin zu speichern. Im Rahmen dieser Arbeit sollen die Quanteninformationsverarbeitung in Molekülen analysiert und die Unterschiede zu Atomen diskutiert werden.
Yu Liu et al., Quantum state tracking and control of a single molecular ion in a thermal environment. Science 385 , 790-795 https://doi.org/10.1126/science.ado1001
Shubham P. Jain, Eric R. Hudson, Wesley C. Campbell, Victor V. Albert: Absorption-Emission Codes for Atomic and Molecular Quantum Information Platforms: PRL 133, 260601, https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.260601
MR.1 Verifizierung von Quantencomputern (Betreuer: M. Ringbauer)
Themenbeschreibung: Quantencomputer werden immer leistungsfähiger, rechnen aber nach wie vor 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:
- A Gheorghiu, T Kapourniotis, E Kashefi, “Verification of quantum computation: An overview of existing approaches”, Theory of Computing systems 63, 715-808 (2017)
- 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)
MR.2 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. Quantenfehlerkorrektur zielt hierbei üblicherweise auf redundante 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)
MR.3 Quantensimulation für die Teilchenphysik (Betreuer M. Ringbauer)
Themenbeschreibung: Die Simulation von Quantenphysikalischen Systemen ist einer der wichtigsten zukünftigen Anwendungsbereiche für Quantencomputer. Insbesondere in der Teilchenphysik ist man oft mit Problemen konfrontiert, bei denen klassische Computer rasch an ihre Grenzen kommen. Quantencomputer bieten hingegen die Möglichkeit, solche Systeme exakt und prinzipiell skalierbar zu simulieren. Derartige Quantensimulationen können Einblicke in die fundamentalen Eigenschaften und Wechselwirkungen von Elementarteilchen liefern und die Forschung an Teilchenbeschleunigern unterstützen.
Links:
- E. Martinez et al, “Real-time dynamics of lattice gauge theories with a few-qubit quantum computer”, Nature 534, 516-519 (2016), https://arxiv.org/abs/1605.04570
- M. C. Banuls et al, “Simulating lattice gauge theories within quantum technologies”, European Physical Journal D, Volume 74, article number 165, (2020)
- C. Kokail et al, “Self-Verifying Variational Quantum Simulation of the Lattice Schwinger Model”, Nature 569, 355 (2019), https://arxiv.org/abs/1810.03421
MR.4 Quantum Random Number Generators (Betreuer M. Ringbauer)
Themenbeschreibung: Zufallszahlen sind in vielen Bereichen der Informatik, insbesondere in der Kryptographie, von zentraler Bedeutung. Nachdem klassische Prozesse generell deterministisch ablaufen, sind auch Zufallszahlen, die auf klassische Weise erzeugt werden, prinzipiell (wenn auch oft schwer) vorhersagbar. Die Quantenphysik liefert hier eine Alternative mit Prozessen, die fundamental zufällig und unvorhersagbar ablaufen. Beispiele sind etwa ein einzelnes Photon auf einem Strahlteiler, oder Messungen an einer Hälfte eines verschränkten Quantensystems.
Links:
- C. Foreman, et al, “Practical randomness amplification and privatisation with implementations on quantum computers”, Quantum 7, 969 (2023), https://arxiv.org/abs/2009.06551
- Antonio Acín and Lluis Masanes. “Certified randomness in quantum physics”, Nature 540.7632 (2016), pp. 213–219
MR.5 Quantensimulation von chemischen Prozessen (Betreuer M. Ringbauer)
Themenbeschreibung: Die Dynamik molekularer Wechselwirkungen und chemischer Prozesse ist sehr schwer mit klassischen Computern zu simulieren. Der Grund dafür liegt darin, dass komplexe, oft stark verschränkte Wellenfunktionen simuliert werden müssen, und Näherungen oft ihre Gültigkeit verlieren. Ein neuartiger Ansatz in der Quantensimulation erlaubt es hingegen, solche Simulationen direkt durchzuführen. Hierzu werden elektronische und Bewegungs-Freiheitsgrade von gespeicherten Ionen kombiniert, um elektronische und vibrationsfreiheitsgrade von Molekülen zu simulieren.
Links:
- Valahu et al, “Direct observation of geometric-phase interference in dynamics around a conical intersection”, Nature Chemistry 15, pages 1503–1508 (2023)
- R. MacDonell et al, “Analog quantum simulation of chemical dynamics”, Chemical Science, 2021, 12, 9794-9805
MR.6 Quantenalgorithmen für Optimierungsprobleme (Betreuer M. Ringbauer) - Eher Theorielastig
Themenbeschreibung: In der Populärwissenschaft werden Optimierungsprobleme oft als einer der großen Anwendungsbereiche für Quantencomputer gehandelt. Algorithmen wie der Quantum Approximate Optimization Algorithm sollen in diesem Bereich effiziente Lösungen für Probleme liefern können an denen sich klassische Computer die Zähne ausbeißen. Wie groß dieser Quantenvorteil dabei ist und wo es ihn überhaupt gibt, darüber wird in der Literatur aber noch aktiv diskutiert.
Links:
- E. Farhi, A. W. Harrow, “Quantum Supremacy through the Quantum Approximate Optimization Algorithm”, https://arxiv.org/abs/1602.07674 (2016) – disproven!
- S. Boulebnane, A. Montanaro, “Solving boolean satisfiability problems with the quantum approximate optimization algorithm“, https://arxiv.org/abs/2208.06909 (2022)
- S. P. Jordan, “Optimization by Decoded Quantum Interferometry”, https://arxiv.org/abs/2408.08292 (2024)
CR.1 Quantensimulation mit 2D-Ionen-Kristallen (Betreuer: C. Roos)
Themenbeschreibung: Quantensimulatoren sind sehr gut kontrollierte Quantensysteme zur experimentellen Untersuchung von Quanten-Vielteichenphysik. Dazu werden zwischen den Bestandteilen des Systems Wechselwirkungen erzeugt. Ausgehend von einem einfach zu präparierenden Startzustand kann man dann System sich in der Zeit entwickeln lassen und anschließend messen, um komplexe Quantensysteme besser zu verstehen. In Ionenkristallen lassen sich so durch Laserlicht magnetische Wechselwirkungen zwischen den Teilchen simulieren, wobei jedes Ion ein Spin-½ System kodiert. Thema der Bachelorarbeit sind die in der Nature-Publikation beschriebenen Experimente.
Optional können dann auch Experimente mit 2d-Ionenkristallen an unserem entsprechenden Innsbrucker Experiment durchgeführt werden.
Links:
- "A site-resolved two-dimensional quantum simulator with hundreds of trapped ions”,S.-A. Guo et al., Nature 630, 612 (2024),................................................................ https://www.nature.com/articles/s41586-024-07459-0
- “Controlling Two-Dimensional Coulomb Crystals of More Than 100 Ions in a Monolithic Radio-Frequency Trap, D. Kiesenhofer et al., PRX Quantum 4, 020317 (2023). https://doi.org/10.1103/PRXQuantum.4.020317
CR.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
CR.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:
- “Coherent laser spectroscopy of highly charged ions using quantum logic”, P. Micke et al., 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
Masterarbeiten
TM.1 Modulares Ionenfallen-Design (Betreuer: T. Monz)
Ionenfallen, als Grundbaustein für Quantentechnologien wie Quantensensorik, Metrologie, Quantenkommunikation, oder Quantencomputing, wurden und werden manuell gefertigt. Mit steigender Komplexität soll die Fertigung jedoch mit Methoden der Halbleiterproduktion skalierbar und, idealerweise, integriert (z.B. mit integrierter Optik oder Elektronik) umgesetzt werden. Interessanterweise sind die Bausteine eines Ionen-Prozessors abzählbar klein: speichern, transportieren, manipulieren. In dieser Arbeit sollen existierende Designs modularisiert werden, um “one set of building blocks to rule them all” umzusetzen.
TM.2 Skalierbare Quanteninformationsverarbeitung mittels Transport-Operationen (Betreuer: T. Monz), für Programmier-Interessierte
Quanteninformationsverarbeitung auf Basis von gespeicherten Ionen ist einer der vielversprechendsten Ansätze, um Quantencomputer zu realisieren. Ionen werden hier in verschiedenen Zonen gespeichert, manipuliert und zwischen den Zonen transportiert. Daraus ergibt sich die (Logistik)Fragestellung, wann man was wo machen sollte, um eine Berechnung möglichst effizient umzusetzen. In dieser Arbeit werden wir diese (programmier-lastige) Herausforderung angehen, und versuchen diese im Laufe der Arbeit auf Innsbrucker Prozessoren umzusetzen.
MR.1 Stabilizing an atomic clock laser to a frequency comb (Betreuer: M. Ringbauer)
Atomic clock lasers are the basis for a wide range of atom-based quantum technology, such as quantum computers, quantum sensors, and atomic clocks. Stabilizing these lasers to the required precision remains a tedious and cost-intensive task, requiring well-isolated optical cavities and feedback systems. In this thesis, we will explore the use of an existing ultra-stable frequency comb as a reference to stabilize an atomic clock laser to. We will then compare the performance of this approach to the state of the art. This will establish whether a centralized frequency comb is a viable alternative to individual optical cavities for quantum computing applications.
MR.2 Designing entangling gates or a qudit quantum processor (Betreuer: M. Ringbauer)
Qudit systems offer much richer entanglement structures than their qubit counterpart. While for qubits a single kind of entangling operation, the controlled-not gate, is sufficient for virtually all purposes, qudits offer infinitely many inequivalent entangling operations. Achieving the most efficient implementation of a given quantum computation requires not only finding the right encoding but also the right kind of entangling interaction. This thesis will focus on extending the toolbox of qudit quantum information processing by developing and realizing a range of new entangling operations tailored to qudit quantum computations.
CR.1 Programming potentials in a monolithic microfabricated ion trap (Betreuer: C. Roos)
Microfabricated ion traps enable the flexible creation of trapping potentials for ions by combining a radiofrequency potential with a rather large number of dc-voltages applied to the various electrodes of the ion trap. In a quantum simulation experiment, we use a monolithically fabricated trap for creating planar ion crystals with about 100 ions. Numerical simulations of the trap enable the computation of voltage sets that create the desired potential. However, these simulations are never perfect, so that in practice the voltages need to be adjusted manually. The goal of this project is to improve on the current approach by characterizing the trapping potentials by various (spectroscopic) techniques in order to build a better model of the trap that will enable programming the voltages for the creation of the target potential.