Solid State Quantum Optics

In unserer Forschungsgruppe konzentrieren wir uns auf die Untersuchung von Wenig-Körper-Quantensystemen, die auf Spins in Festkörpermaterialien basieren, im Hinblick auf Anwendungen in der Quantentechnologie. Dabei steht das Zusammenspiel von Quantensteuerung, Umgebung und Messungen im Mittelpunkt offener Probleme in der Quanteninformation und Quantensensorik, über die derzeit noch nicht genug bekannt ist.

Wir untersuchen dieses Zusammenspiel aus theoretischer und numerischer Perspektive mit Schwerpunkt auf kohärenten und dissipativen Manipulationen (Protokollen), einschließlich quantenoptimaler Steuerung, dynamischer Entkopplung und messungsbasierter Protokolle. Diese Protokolle werden in zwei Richtungen eingesetzt: In vielen Anwendungen kann der erforderliche Grad an Kontrolle über das System nur erreicht werden, wenn die Interaktion mit der Umgebung durch die Kontrollstrategie abgeschwächt wird, d. h. um hochgenaue Gatter für Quantencomputer zu erreichen. In einem anderen Szenario werden kleine Quantensysteme (Sonden) eingesetzt, um Informationen über die Umgebung zu extrahieren. In diesem Fall besteht die Aufgabe der Steuerung darin, die relevanten Informationen über die Umgebung beim Auslesen der Sonde zu kodieren.

Quantum optimal control

Quantum optimal control hat sich als vielseitiges Werkzeug erwiesen, das den Übergang der Quantenphysik von der Beobachtungs- und Beschreibungsphase zur Konstruktionsphase verbessert, indem es die Dynamik eines Quantensystems durch ausgeklügelte externe Antriebspulse, z. B. elektromagnetische Felder, steuert. Unsere bevorzugte Methode ist der dCRAB-Algorithmus (dressed chopped random basis), der günstige Konvergenzeigenschaften mit der Möglichkeit verbindet, Einschränkungen für das Steuerfeld einzubeziehen, und sowohl im geschlossenen als auch im offenen Regelkreis betrieben werden kann. Eine detaillierte und kalibrierte numerische Simulation des Quantengeräts ermöglicht es, die erforderlichen Steuerimpulse numerisch vorzubereiten und sie dann im Labor anzuwenden.

Closed-loop control

In vielen Fällen kann selbst eine sehr detaillierte numerische Simulation ein Quantengerät, das optimiert werden muss, nicht genau genug modellieren. In solchen Fällen ist eine Messrückkopplung erforderlich, um Steuerimpulse zu entwerfen, 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 messungsbasierte, geschlossene Impulsoptimierung.

Aus theoretischer Sicht untersuchen und entwerfen wir Messprotokolle, die auf den Versuchsaufbau zugeschnitten sind, um die effizientesten Optimierungsprotokolle mit geschlossenem Regelkreis zu erhalten.

Control of open quantum systems and quantum sensing

Verschiedene Steuerimpulse, die auf das System und/oder seine Umgebung einwirken, ermöglichen die Abstimmung der System-Umgebungs-Interaktion. Die effiziente Beschreibung dieser gesteuerten offenen Systeme erfordert in der Regel Annäherungen, die auf das jeweilige Interessensgebiet zugeschnitten sind (d. h. bestimmte Einschränkungen der Steuerung oder Annahmen über die Umgebung). Für die Quantensensorik betrachten wir ein System (Sensor), das mit der Umgebung auf eine gewünschte (Signal) und eine unerwünschte, schädliche (Rauschen) Weise interagiert.

Um den Quantensensor zu betreiben, muss der Einfluss von Rauschen, z. B. von benachbarten Spins, unterdrückt und der Einfluss des Signals (in der Regel außerhalb des Sensorgeräts) extrahiert werden. Zu diesem Zweck wenden wir Methoden der optimalen Steuerung, der messungsinduzierten Steuerung und der dynamischen Entkopplung an, um die Wechselwirkungen zwischen System und Umgebung zu steuern. Für Quantencomputeranwendungen ist es stattdessen entscheidend, die Wechselwirkungen des Systems.

Colour Centres

Atomare Defekte in Kristallen, wie z. B. Stickstoff-Vakanz-Zentren (NV-Zentren) in Diamant, bei denen zwei Kohlenstoffatome des Diamantkristalls durch ein Stickstoffatom und eine Vakanz ersetzt werden, sind eine einzigartige Plattform für die Steuerung von einzelnen Elektronen- und Kernspins – sogar bei Raumtemperatur – in Festkörperbauelementen.

Ein freies Elektron des Farbzentrums und die umgebenden Kernspins können mit Lasern und elektromagnetischen Feldern im Radiofrequenz- und Mikrowellenbereich manipuliert werden. NV-Zentren in Nanodiamanten sind eine führende Plattform in der Quantensensorik. Aufgrund der guten optischen Eigenschaften werden insbesondere Defekte der Gruppe IV wie Germanium- oder Zinn-Vakanzzentren auch für Anwendungen in der Quantenkommunikation, wie z. B. Quantenrepeater-Geräte, untersucht. Solche optischen Verbindungen könnten auch ein Weg zum Bau skalierbarer Quantencomputer auf der Basis von Farbzentren sein.