In vielen Fällen kann selbst eine sehr detaillierte numerische Simulation ein Quantenbauelement, das optimiert werden muss, nicht genau genug modellieren. In solchen Fällen ist eine Rückkopplung von Messungen erforderlich, um Kontrollpulse zu finden, die das Gerät mit der gewünschten Präzision steuern. Zusammen mit unseren experimentellen Partnern verwenden wir die Open-Source-Software Quantum Optimal Control Suite (QuOCS) für die Pulsoptimierung mit Rückkopplung.

Aus theoretischer Sicht untersuchen und entwerfen wir Messprotokolle, die auf den Versuchsaufbau zugeschnitten sind, um die effizientesten Protokolle für die Optimierung mit Rückkopplung zu erhalten.

Kontrollpulse, die auf das System und/oder seine Umgebung einwirken, ermöglichen es, die Wechselwirkung zwischen System und Umgebung zu kontrollieren. Die effiziente Beschreibung dieser gesteuerten offenen Systeme erfordert in der Regel Näherungen, die auf das System zugeschnitten sind (d. h. bestimmte Einschränkungen für den Kontrollpuls oder Annahmen für die Umgebung). Bei der Quantensensorik betrachten wir ein System (Sensor), das auf erwünschte (Signal) und unerwünschte, schädliche (Rauschen) Weise mit der Umgebung interagiert.

Um den Quantensensor zu betreiben, muss die Wirkung des Rauschens, z. B. von benachbarten Spins, unterdrückt und die Wirkung des Signals (typischerweise außerhalb des Sensorgeräts) extrahiert werden. Zu diesem Zweck wenden wir Methoden der optimalen Quantensteuerung, der messungsinduzierten Steuerung und der dynamischen Entkopplung an, um die Wechselwirkung zwischen System und Umgebung maßzuschneidern. Für Anwendungen der Quanteninformation ist das Verständnis und die Charakterisierung der Wechselwirkungen des Systems mit der Umgebung von entscheidender Bedeutung für das Design von Gattern mit hoher Zuverlässigkeit unter Einfluss von Rauschen.

Farbzentren sind atomare Defekte in Kristallen, wie Stickstoffleerstellen (NV-Zentren) in Diamant, bei denen zwei Kohlenstoffatome des Diamantkristalls durch ein Stickstoffatom und eine Leerstelle ersetzt werden, sind eine einzigartige Plattform für die Kontrolle einzelner Elektronen und Kernspins - sogar bei Raumtemperatur - in Festkörpern. Ein freies Elektron des Farbzentrums und die umgebenden Kernspins können mit Lasern und elektromagnetischen Feldern im Hochfrequenz- und Mikrowellenbereich manipuliert werden.

NV-Zentren in Nanodiamanten sind eine führende Plattform für die Quantensensorik. Aufgrund ihrer guten optischen Eigenschaften werden insbesondere Gruppe-IV-Defekte wie Germanium- oder Zinn-Vakanzzentren auch für Anwendungen in der Quantenkommunikation untersucht, z. B. für Quantenverstärker. Solche optischen Verbindungen könnten auch ein Weg sein, um skalierbare Quantencomputer auf der Grundlage von Farbzentren zu bauen.

• Gate-set evaluation metrics for closed-loop optimal control on nitrogen-vacancy centerensembles in diamond
  Philipp J. Vetter, Thomas Reisser, Maximilian G. Hirsch, Tommaso Calarco, Felix Motzoi, Fedor Jelezko, Matthias M. Müller,Philipp J. Vetter, Thomas Reisser, Maximilian G. Hirsch, Tommaso Calarco, Felix Motzoi
  arXiv:2403.00616 (2024), npj Quantum Information 10, 96 (2024) DOI 10.1038

• QuOCS: The quantum optimal control suite
  Marco Rossignolo, Thomas Reisser, Alastair Marshall, Phila Rembold, Alice Pagano, Philipp J. Vetter, Ressa S. Said, Matthias M. Müller, Felix Motzoi, Tommaso Calarco, Fedor Jelezko, Simone Montangero
  Computer Physics Communications 291, 108782 (2023) DOI 10.1016

• Information Theoretical Limits for Quantum Optimal Control Solutions: Error Scaling of Noisy Channels
  Matthias M. Müller, Stefano Gherardini, Tommaso Calarco, Simone Montangero, Filippo Caruso
  arXiv:2006.16113 (2020), Scientific Reports 12 (1), 21405 (2022) DOI 10.1038

• One decade of quantum optimal control in the chopped random basis
  Matthias M. Müller, Ressa S. Said, Fedor Jelezko, Tommaso Calarco, Simone Montangero
  Rep. Prog. Phys. 85, 076001 (2022) DOI 10.1088/1361-6633/ac723c

• Introduction to quantum optimal control for quantum sensing with nitrogen-vacancy centers in diamond
  Phila Rembold, Nimba Oshnik, Matthias M. Müller, Simone Montangero, Tommaso Calarco, Elke Neu
  AVS Quantum Science 2 (2), 024701 (2020) DOI 10.1116/5.0006785