Quantentechnologie
Quantum Technology

Quantum theory was originally formulated as a statistical theory that describes ensembles of particles. Meanwhile, however, experiments in many laboratories around the world (and even by Google, IBM, Microsoft and Intel) have demonstrated quantum control over single particles. This has led to the dream of a “second quantum revolution”, in which the strangeness and the power of quantum physics is harnessed to facilitate novel technologies that provide possibilities beyond those offered by any classical device. In diverse settings, theory and proof-of-concept experiments have shown that one can gain unique advantage by storing, transmitting, and processing information encoded in systems that exhibit quantum properties. Examples include quantum cryptography (that allows for unbreakable encryption), quantum measurements (that can provide unprecedented resolution), quantum simulation (that can help to gain insight into complex quantum systems and materials), and quantum information processing (that can dramatically improve computational power for specific tasks).

This module will cover the basic principles that lie at the heart of the mentioned quantum technologies: The quantum harmonic oscillator and quantum two-level systems (qubits), generation and control of single photons and other quantum light fields, entanglement, decoherence, quantum measurement, experimental techniques for qubit control, quantum error correction, atomic clocks, quantum sensing, quantum communication, and the various types of quantum hardware used in current experiments.

After successful completion of the module the students are able to:

• Understand that the control and entanglement of quantum systems is a unique resource
• Mathematically describe quantum light fields, quantum bits and their coupling to one another
• Describe techniques to prepare, manipulate and measure quantum systems while avoiding decoherence
• Understand quantum logic operations and their experimental implementation
• Understand the open challenges towards the realization of quantum computers and other quantum technologies using current experimental platforms

No preconditions in addition to the requirements for the Master’s program in Physics.

Das Modul beinhaltet eine Vorlesung und eine Übung.

In der thematisch strukturierten Vorlesung werden die Lerninhalte präsentiert, dabei werden insbesondere mit Querverweisen zwischen verschiedenen Themen die universellen Konzepte der Quantentechnologie aufgezeigt. In wissenschaftlichen Diskussionen werden die Studierenden mit einbezogen und das eigene analytisch-physikalische Denkvermögen gefördert.

In der Übung werden anhand von Problembeispielen und (Rechen-)Aufgaben die Lerninhalte vertieft und eingeübt, sodass die Studierenden das Gelernte selbständig erklären und anwenden können.

Tafelanschrieb und PowerPoint Präsentation

Übungsblätter

S. Haroche & J.M. Raimond: Exploring the Quantum, ISBN 0198509146

Fox: Quantum Optics, ISBN 9780198566731

Weitere Literaturhinweise in der Vorlesung.

Es findet eine mündliche Prüfung von 25 Minuten Dauer statt. Darin wird das Erreichen der im Abschnitt Lernergebnisse dargestellten Kompetenzen mindestens in der dort angegebenen Erkenntnisstufe exemplarisch durch Verständnisfragen und Beispielrechnungen überprüft.

Prüfungsaufgabe könnte beispielsweise sein:

• Skizzieren Sie eine Steuersequenz, die einen maximal verschränkten Zustand zwischen zwei Quantenbits erzeugt.
• Erklären Sie, wie die einzelnen Schritte dieser Kontrollsequenz mit supraleitenden Qubits umgesetzt werden können.
• Erklären Sie die wichtigsten Quellen der Dekohärenz für Spin-Qubits in Silizium und wie diese Dekohärenz durch Wahl geeigneter Kontrollsequenzen oder Materialien reduziert werden kann.

Die Teilnahme am Übungsbetrieb wird dringend empfohlen, da die Übungsaufgaben auf die in der Modulprüfung abgefragten Problemstellungen vorbereiten und somit die spezifischen Kompetenzen eingeübt werden.