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Taking quantum information experiments to higher levels
Manuel Erhard
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doktoratsstudium NAWI aus dem Bereich Naturwissenschaften (DissG: Physik)
Betreuer*in
Anton Zeilinger
DOI
10.25365/thesis.73303
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-17764.66192.757178-2
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
In der vorliegenden Doktorarbeit untersuchen wir wie Quantenexperimente in höheren Dimensionen durchgeführt werden können. Der Begriff von höheren Dimensionen bezieht sich hier nicht auf Raum und Zeit, sondern auf die Anzahl orthogonaler Einstellungsmöglichkeiten eines physikalischen Systems. Beispielsweise hat der Elektronenspin zwei orhtogonale Einstellungsmöglichkeiten, "up" und "down", bildet also ein sogenanntes quanten bit (Qubit) System. Ein Qubit stellt die kleinste Informationseinheit in der Quanteninformation dar. Im Kontrast zu Qubit Systemen stehen die allermeisten natürlich auftretenden physikalischen Systeme, welche in der Regel mehr als zwei Einstellungsmöglichkeiten besitzen. Beispiele dafür sind die Elektronorbitale des Wasserstoffatoms oder allgemeiner der quantenmechanische Oszillator, welche beide unendlich viele Levels oder eben Einstellungsmöglichkeiten haben. Wie in der klassischen Informationstheorie hat sich auch in der Quanteninformation hauptsächlich die kleinste Informationseinheit, das Bit oder eben das Qubit durchgesetzt. Die Gründe dafür sind, dass sich alle erdenklichen Operationen mit Bits (Qubits) durchführen lassen. Es ist also möglich mit Bits (Qubits) einen universellen (Quanten) Computer zu bauen. In der Natur hat sich für den wichtigsten Informationsträger, der DNS, anstatt dem binären Alphabet ein Alphabet mit 4 Buchstaben (Guanin, Cytosin, Adenine, Thymin) durchgesetzt. In dieser Arbeit wollen wir uns mit Quanteninformationssystemen in mehr als zwei Dimensionen beschäftigen. Im Gegensatz zur DNS, welche eine äußerst robuste Art und Weise der Informationsspeicherung erlaubt, ist die Quanteninformation ein eher scheues Wesen. Allerdings eignen sich hier besonders Photonen, das sind einzelne Lichtteilchen, dazu Quanteninformation zu kodieren und transportieren. Wir benutzen deshalb in der vorliegenden Arbeit Photonen, um diese hochdimensionale Quanteninformation zu kodieren und verarbeiten. Das Themengebiet der Quanteninformation und speziell deren experimentelle Umsetzung steckt noch in den Kinderschuhen. Es benötigt hier nicht nur technologische Entwicklungen, sondern es braucht vor allem konzeptionell neue Ideen und kreative Lösungen wie die maßgeblichen Bausteine in einem Experiment realisiert werden können. Die vorliegende Arbeit gliedert sich in drei Teilgebiete und untersucht dabei experimentell die folgenden Themenkomplexe: Das erste Experiment widmet sich den elementarsten Bausteinen der Informationsverarbeitung in hohen Dimensionen. Es handelt sich dabei um die grundlegenden Gatter welche notwendig sind, um beliebige Informationsverarbeitung an einzelnen Systemen durchzuführen. Wir konnten hier alle Gatter für vierdimensionale Quantensysteme erstmals experimentell demonstrieren. Der zweite wichtige Schritt stellt die Erzeugung und Manipulation von mehreren Teilchen dar. Hier kommt eine Besonderheit der Quantenphysik ins Spiel, die Verschränkung. Wie schon Erwin Schrödinger sagte~\cite{schrodinger1935discussion}\footnote{Übersetzung des Autors aus dem originalen: "I would not call that \textit{one} but rather \textit{the} characteristic trait of quantum mechanics, the one that enforces its entire departure from classical lines of thought."}: "Ich würde das nicht als \textit{ein} sondern als \textit{das} charakteristische Merkmal der Quantenmechanik bezeichnen, diejenige die die völlige Abkehr von klassischen Gedankengängen erzwingt." In diesem Experiment wollen wir auf das Wechselspiel von Quantenphysik, Verschränkung, Lokalität und Realität genauer eingehen. Dazu werden wir einen echten hochdimensionalen Quantenzustand von drei Teilchen in drei Dimensionen erstmals im Labor erzeugen. Als letzten Teil dieser Dissertation beschäftigen wir uns mit der Frage wie komplexe Systeme, beispielsweise Wasserstoffatome, mit Hilfe der Quantenphysik teleportiert werden können. Wir zeigen am Beispiel der Quantenteleportation, wie mit modernen computer aided design Methoden neue Ideen und Konzepte für Quantenexperimente automatisch generiert werden können. Weiteres ist uns hier auch die erste experimentelle Demonstration von hochdimensionaler Quantenteleportation gelungen. Letztlich hoffe ich, dass interessierte Leser*innen hier einen spannenden Ein- und Überblick auf die wunderbar komplexe Welt der Quantenphysik in hochdimensionalen Räumen bekommen.
Abstract
(Englisch)
In the presented doctoral thesis, we study how to perform quantum experiments in higher dimensions. The concept of higher dimensions does not refer to space and time but the number of orthogonal settings within a physical system. For example, the electron spin has two orthogonal levels, up and down. Hence it forms a so-called Qubit system and represents the smallest unit of information in quantum information. In contrast to Qubits, the majority of naturally occuring physical systems have more than two levels. Examples are the electron orbitals of the hydrogen atom or the quantum mechanical oscillator, which both have an infinite number of levels or possible settings. As in classical information theory, the smallest information unit (the bit) is the dominant information unit in the field of quantum information, called quantum bit (Qubit). The reasons for this are that all conceivable operations can be carried out, so it is possible to build a universal (quantum) computer using bits (Qubits) only. However, in nature, an alphabet with 4 letters (guanine, cytosine, adenine, thymine) has prevailed for the most important information carrier, the DNA, instead of the binary alphabet. In this work, we focus on studying quantum information systems experimentally in more than two dimensions. In contrast to DNA, which allows extremely robust information storage, quantum information is a rather shy creature. Fortunately, photons, which are individual light particles, are particularly suitable for encoding and transporting quantum information. Hence, we use photons in the present work to encode and process high-dimensional quantum information. The subject of quantum information in higher dimensions and especially its experimental implementation is still in its infancy. It requires technological developments and, above all, conceptual ideas and creative solutions for how the basic building blocks can be implemented in an experiment. In this thesis, the fundamental and most important experimental building blocks are demonstrated in three main sections: The first experiment is dedicated to the most elementary building blocks of information processing in high dimensions. These are the basic gates that are necessary to carry out any information processing on individual systems. We were able to demonstrate all gates experimentally for four-dimensional quantum systems for the first time. In second step, the creation and manipulation of several particles is experimentally demonstrated. This is where a special feature of quantum physics comes into play, entanglement. As Erwin Schrödinger said~\cite{schrodinger1935discussion}: "I would not call that \textit{one} but rather \textit{the} characteristic trait of quantum mechanics, the one that enforces its entire departure from classical lines of thought." In this experiment, we want to explore quantum physics, entanglement, locality, and reality in more detail. To do this, we will create a genuine high-dimensionally entangled quantum state of three particles in three dimensions for the first time in the laboratory. As the last part of this dissertation, we deal with how complex systems, such as hydrogen atoms or photons in our case, can be teleported using currently available technology. Using the example of quantum teleportation, we show how new ideas and concepts for quantum experiments can be generated automatically using modern computer-aided design methods. All this conceptual and experimental effort on the technological frontier finally led to the first experimental demonstration of high-dimensional quantum teleportation. Ultimately, I hope to share my fascination with the readers and inspire them to further study the wonderfully complex and beautiful world of quantum physics in higher dimensional spaces.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Quantenexperimente Quantenphysik Quantenverschränkung einzelne Photonen Hochdimensionale Quanteninformation
Schlagwörter
(Englisch)
quantum experiments quantum physiscs quantum entanglement single photons high-dimensional quantum information
Autor*innen
Manuel Erhard
Haupttitel (Englisch)
Taking quantum information experiments to higher levels
Paralleltitel (Deutsch)
Quanteninformationsexperimente in höheren Dimensionen
Publikationsjahr
2022
Umfangsangabe
193 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Bourennane Mohamed ,
Fabio Sciarrino
Klassifikation
33 Physik > 33.23 Quantenphysik
AC Nummer
AC16809948
Utheses ID
64695
Studienkennzahl
UA | 796 | 605 | 411 |