13 Quantentechnologie

Question 1

Erste Quantenrevolution

Answer 1

Quantisierte Natur der Materie
→ Laser
→ Halbleitertechnologie
→ u.v.m.

Question 2

Zweite Quantenrevolution

Answer 2

Verschränkung, Superposition
Manipulation einzelner Atome/Photonen
→ Quantenkommunikation
→ Quantencomputer/-simulation
→ Quantensensoren
Laser als „enabling technology“

Question 3

„Quanten-Eigenschaften“ des Lichts

Answer 3

◼ Photonen (Quantisierung des Lichtfelds)
◼ Verschränkung (entanglement)
◼ Gequetschtes Licht (squeezed light)

Question 4

Superposition (Überlagerung)

Answer 4

◼ Ein Quantensystem kann sich in einer Superposition von Eigenzuständen befinden.
◼ Bei einer Messung findet man es mit der Wahrscheinlichkeit 𝑐𝑖^2 in einem der Eigenzustände 𝜓
◼ Bspw. Photon an Strahlteiler.
◼ Bei makroskopischen Objekten gilt das offensichtlich nicht (Schrödingers Katze).

Question 5

Quantenmechanische Verschränkung

Answer 5

◼ Zwei (oder mehr) Teilchen können sich in einem verschränkten (korrelierten) Zustand befinden:
◼ Die Eigenschaften des Gesamtsystems sind besser bekannt als die Eigenschaften der einzelnen Teilchen.
◼ Der Gesamtzustand kann nicht faktorisiert dargestellt werden als Produkt der Zustände der Teilsysteme: ψ ≠ 𝜓𝐴*𝜓𝐵
◼ Photonenpaare können verschränkt sein in ihrer Polarisation, Energie und Zeit, Position und transversalem Impuls…

Question 6

Quantum Imaging

Answer 6

◼ Bildgebung mit verschränkten Photonenpaaren:

• Untersuchung (mit einem Photon) vom UV bis THz
• Detektion (des anderen Photons) in VIS & NIR

Question 7

Fünf Kriterien für einen Quantencomputer

nach David Di Vincenzo

Answer 7

1. Das System besteht aus einem skalierbaren System
   gut charakterisierter, also gut verstandener Qubits.
2. Es muss möglich sein, die Qubits in einen definierten
   Anfangszustand zu versetzen.
3. Ein universeller Satz elementarer Quantengatter, also
   an Rechenoperationen, kann ausgeführt werden.
4. Einzelne Qubits (zumindest eines) können gemessen
   bzw. ausgelesen werden.
5. Die Kohärenzzeit des stabilen Systems ist wesentlich
   länger als die Operationszeit einer Rechenoperation.

Question 8

Quantencomputer

Answer 8

◼ Rechnen mit Qubits (Quantenbits)
◼ Skalierbarkeit, Fehlerkorrektur
(NISQ, Noisy Intermediate-Scale Quantum Computer)
◼ Verschiedene Realisierungsmöglichkeiten für Qubits
◼ Anwendungen:
Quantenalgorithmen (z.B. Shor-Algorithmus)
Optimierungsprobleme (z.B. Traveling Salesman)
◼ Digitaler (universeller) Quantencomputer vs.
Analoger Quantencomputer (Quantensimulation, s.u.)
◼ Quantennetzwerke, Quanteninternet

Question 9

Laserkühlen – Dopplerkühlen

Answer 9

◼ Ion oder Atom mit Übergang bei 𝜈0
◼ Absorption von langwellig verstimmten Laser-Photon ist möglich
durch Blau-Verschiebung mittels Doppler-Effekt
◼ Rückstoß bei Absorption durch Impuls des Photons bremst das Ion
◼ Anregung durch Laser mit 𝜈𝐿 ′< 𝜈0, Emission bei 𝜈0
◼ Dopplertemperatur:
Kühlen durch Rückstoß bei Absorption (Geschwindigkeit
entgegengerichtet)
Heizen durch Rückstoß bei spontaner Emission (isotrop)

Question 10

Laserkühlen – Seitenband-Kühlen

Answer 10

◼ Laserkühlen von Ionen in einer Ionenfalle
◼ elektronische Zustände 0 und 1 im Ion
◼ Quantisierte Bewegung der Ionen in der Falle
Schwingungszustände
◼ Treiben des Übergangs mit Δ𝑛 = −1
Relaxation (im Mittel) mit Δ𝑛 = 0

Question 11

Basiszustände bei N Teilchen

Answer 11

2^N

Wenn 1 Teilchen 2 Zustände annehmen kann

Question 12

Ultrakalte Atome in optischen Gittern

- Vorteile im Vergleich zu Festkörper-Kristall

Answer 12

• Reduzierte Komplexität
• Hervorrangende Kontrolle

Festkörper-Kristall
▪ Elektronen
▪ Sehr komplexe Festkörper-
Umgebung
▪ Gitterabstand: Å
▪ Zeitskala Dynamik: fs

Optisches Gtter
▪ Atome (Fermionen/Bosonen)
▪ Voll kontrollierbar,
keine Defekte, keine Vibrationen
▪ Gitterabstand: μm
▪ Zeitskala Dynamik: ms