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Photonic Quantum Computing
Stefanie Barz
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Betreuer*in
Anton Zeilinger
Alle Rechte vorbehalten / All rights reserved
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-30082.66375.591761-7
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract
(Deutsch)
Die Quantenphysik hat unser heutiges Verständnis der Informationsverarbeitung revolutioniert. Unter Ausnutzung von Quanteneffekten ermöglichen Quantencomputer deutlich schnellere, für klassische Computern unerreichbare Rechengeschwindigkeiten. Diese Arbeit präsentiert eine Reihe von Experimenten auf dem Gebiet photonischer Quantencomputer, die einerseits technische Fortschritte in der Entwicklung eines skalierbaren Quantencomputers zeigen und andererseits neue, fundamentale Konzepte im Bereich der Quanteninformationsverarbeitung demonstrieren. Alle vorgestellten Experimente beruhen auf der Verwendung von Techniken der linearen Optik und der Anwendung dieser auf durch spontane parametrische Fluoreszenz erzeugte Multi-Photonen Zustände. Das erste in dieser Arbeit präsentierte Experiment realisiert die angekündigte Erzeugung polarisationsverschränkter Photonenpaare. Bisher war die praktische Einsetzbarkeit von optischen Quantencomputerexperimenten aufgrund der probabilistischen Erzeugungsweise verschränkter Photonenpaare stark limitiert. Das hier vorgestellte Experiment ermöglicht den Nachweis eines verschränkten Zustandes ohne diesen zu messen und überwindet damit diese begrenzte Anwendbarkeit photonischer Systeme in der Quanteninformationsverarbeitung. Diese angekündigte Erzeugung von verschränkten Zuständen ist daher ein erster Schritt zu auf linearer Optik basierenden Quantennetzwerken und zu skalierbaren photonischen Quantencomputern. In einem zweiten Experiment wurde das neue Konzept eines blinden Quantencomputers implementiert. Neben den auf Quanteneffekten beruhenden schnelleren Rechnungen, ermöglichen Quantencomputer einen weiteren wesentlichen Vorteil gegenüber klassischen Computern: Sie ermöglichen absolut sichere Rechnungen. Dabei ist es möglich, dass ein Quantencomputer Rechnungen durchführt, aber selbst nicht herausfinden kann, welche es sind. Mit diesem Konzept kann ein nahezu klassischer Nutzer eine Rechnung an einen Quantenserver auslagern, ohne dass dieser die Eingabe, die Ausgabe und die Rechnung kennt. Im Zuge dieser Arbeit wurde die erste experimentelle Umsetzung eines blinden Quantencomputers basierend polarisationsverschränkten Photonen realisiert und blinde Quantenrechnungen, darunter zahlreiche 1- und 2-Qubit Gatter sowie Quantenalgorithmen, demonstriert. Diese Demonstration eines blinden Quantencomputers zeigt, dass unter Ausnutzung von Quanteneffekten absolut sicheres Cloud Computing möglich ist. Aufgrund der naheliegenden Annahme, dass Quantencomputer aufgrund ihrer technischen Komplexität zunächst nur in wenigen spezialisierten Rechenzentren zur Verfügung stehen könnten und Nutzer von außerhalb mit diesen interagieren, ist dieses Experiment daher ein wichtiger Beitrag für praktische Anwendungen. In einem weiteren Experiment wurde dieses Konzept des blinden Quantencomputers auf Fragestellungen im Gebiet der Komplexitätstheorie und der Verifikation angewendet. Dazu wurde eine neue Theorie entwickelt und experimentell demonstriert, mit derer ein nahezu klassischer Nutzer testen kann, ob ein Computer Quantenressourcen hat. Mittels eines blinden Bell Tests kann der Nutzer dabei verifizieren, ob der Quantencomputer Verschränkungsoperationen durchführen kann. Diese elementare Methode ist ein erster Schritt zur Verifikation von Quantencomputern und zur Beantwortung der Frage, ob ein klassischer Nutzer Quantenrechnungen überprüfen kann, ohne diese selbst durchführen zu können.
Abstract
(Englisch)
Quantum physics has revolutionized our understanding of information processing and enables computational speed-ups that are unattainable using classical computers. This thesis presents a series of experiments in the field of photonic quantum computing. It focuses on the progress in engineering toward a scalable quantum computer as well as new concepts in the field of quantum information processing. All experiments are based on the generation of multi-photon states with parametric down-conversion sources, and employ linear-optical methods such as interference and postselection. The first experiment in this thesis was performed in the field of photonic state engineering and realizes the generation of heralded polarization-entangled photon pairs. It overcomes the limited applicability of photon-based schemes for quantum information processing tasks, which arises from the probabilistic nature of photon generation. Therefore, this controlled generation of entangled states is a significant step towards linear-optical quantum networks and scalable photonics-based quantum computing schemes. In a second experiment, a new concept in quantum computing called blind quantum computing was implemented. Blind quantum computing shows an additional fundamental advantage of quantum over classical computation: a computation can be made private. Using the framework of measurement-based quantum computing, blind quantum computing enables a nearly-classical client to access the resources of a more computationally-powerful quantum server without divulging the content of the requested computation. In the course of this thesis, the first experimental implementation of blind quantum computing was realized using polarization-entangled photonic qubits, and various blind delegated computations, including one- and two-qubit gates as well as quantum algorithms, were performed. This demonstrates a significant progress towards the realization of unconditionally secure quantum cloud computing and may become a key ingredient in real-life applications, especially considering the challenges of making quantum computers widely available. Finally, the concept of blind quantum computing was applied to the field of complexity theory, and in particular the field of verification. A new method was developed and experimentally demonstrated, which verifies the entangling capabilities of a quantum computer based on a blind Bell test. This verification procedure is a first step towards experimental quantum verification and towards answering the open question of whether it is possible to verify that a device is a quantum computer without having access to quantum resources.

Schlagwörter

Schlagwörter
(Englisch)
Photonic Quantum Computing
Schlagwörter
(Deutsch)
Photonische Quantencomputer
Autor*innen
Stefanie Barz
Haupttitel (Englisch)
Photonic Quantum Computing
Publikationsjahr
2012
Umfangsangabe
133 S. : gaph. Darst.
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Immanuel Bloch ,
Chris Monroe
Klassifikationen
33 Physik > 33.05 Experimentalphysik ,
33 Physik > 33.23 Quantenphysik ,
33 Physik > 33.38 Quantenoptik, nichtlineare Optik
AC Nummer
AC10751490
Utheses ID
21044
Studienkennzahl
UA | 091 | 411 | |
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