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Dr. Andreas Reiserer
Forschungsgruppenleiter
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Büro: A 2.23

Otto-Hahn-Gruppe Quanten-Netzwerke

Leiter: Dr. Andreas Reiserer

Das Internet hat die klassische Informationsverarbeitung revolutioniert. Analog dazu wird erwartet, dass ein zukünftiges Quanten-Netzwerk [1, 2], das aus verbundenen Quantenprozessoren besteht, einzigartige Möglichkeiten zur Quanteninformationsverarbeitung schafft. Im Gegensatz zu klassischen Rechnern wächst nämlich die Informationsmenge, die sich in einem Quanten-Netzwerk speichern lässt, exponentiell mit der Anzahl der Netzwerkknoten, und die Verschränkung entfernter Teilchen im Netzwerk führt zu einer völlig neuartigen Ressource: zu nicht-lokalen Korrelationen. Dies ermöglicht nicht nur neue quantenoptische Grundlagenforschung, sondern es eröffnen sich auch vielfältige Anwendungsmöglichkeiten in der Präzisionsmetrologie und Quanteninformationsverarbeitung, und es werden weltweite abhörsichere Kommunikation und eine dramatische Steigerung der Rechenleistung von Computern ermöglicht.


In bahnbrechenden Experimenten mit Atomen im Vakuum [2-4] und mit Spins in Festkörpern [5] wurde die Verschränkung zweier Quanten-Netzwerkknoten mit einem Abstand von bis zu 1.3 km [5] bereits gezeigt. Um das volle Potential von Quanten-Netzwerken ausschöpfen zu können ist es jedoch erforderlich, diese Prototypen zu größeren Netzwerken zu erweitern. Dazu muss eine Technologie entwickelt werden, die grundlegende Schwierigkeiten bei der Skalierung, wie sie alle bisherigen experimentellen Systeme aufweisen, überwindet.


Die Gruppe „Quanten-Netzwerke“ wird in diesem Zusammenhang neue Quantensysteme untersuchen. Der Schwerpunkt wird dabei auf einzelnen Seltenerd-Ionen in optischen Resonatoren liegen. Diese Ionen haben außergewöhnliche Kohärenzeigenschaften, wie sie von keinem anderen System erreicht werden [6], und ihre Kontrolle ist kompatibel mit bestehenden Mikrofabrikationsprozessen und optischen Technologien. Dies eröffnet einzigartige Möglichkeiten, große Quanten-Netzwerke zu realisieren.

  1. Kimble: The quantum internet. Nature 453, 1023–1030 (2008).
  2. Reiserer and Rempe: Cavity-based quantum networks with single atoms and optical photons. Rev. Mod. Phys. 87, 1379–1418 (2015).
  3. Sangouard et al.: Quantum repeaters based on atomic ensembles and linear optics. Rev. Mod. Phys. 83, 33–80 (2011).
  4. Duan and Monroe: Quantum networks with trapped ions. Rev. Mod. Phys. 82, 1209–1224 (2010).
  5. Hensen, Reiserer et al.: Loophole-free Bell inequality violation using electron spins separated by 1.3 kilometres. Nature 526, 682–686 (2015).
  6. Zhong, et al.: Optically addressable nuclear spins in a solid with a six-hour coherence time. Nature 517, 177–180 (2015).
 
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