Quanten Simulationen mit gefangenen Ionen (QSim/Bermuda)

Quantenmechanische Systeme skalieren exponentiell in ihrer Komplexität (Zahl der involvierten Spins), was eine effiziente Simulation mit klassischen Computern unmöglich macht. Einen visionären Ausweg wies Richard Feynman durch seinen Vorschlag hierfür einen Quantencomputer zu konstruieren. Obwohl ein Ansatz mit gespeicherten Ionen (in einer Paulfalle) als Qubit derzeit eine vielversprechende Verwirklichung darstellt, begleitet die Realisierung eines universellen Quantencomputers viele technische Herausforderungen, deren Abarbeitung noch Jahrzehnt(e) beanspruchen wird. Eine Abkürzung könnte durch die Realisierung eines auf ähnlichen, aber bereits zur Verfügung stehenden Technologien basierenden Quantensimulators aufgezeigt werden. Dabei ist die Laserkühlung von mehreren Ionen (in einen Coulomb-Kristall) in einer linearen Paulfalle, mit anschließender Kühlung in den Grundzustand der Bewegung, die Initialisierung der so zugänglichen Quantenzustände und anschließenden adiabatische Entwicklung durch Quanten-Phasenübergänge. Wir gehen diese Thematik aus zwei unterschiedlichen Richtungen an. Zum einen skalieren wir unsere Ionenfallen in Zahl und Dimension durch das Aufspannen von individuellen Ionenfallen zu artifiziellen Ionenkristallen. Zum anderen erforschen wir die Kopplung unserer Quantenobjekte and die Umgebung bzw. an ein externes Bad, um Thermalisierung und Dekohärenz zu erforschen (geschlossene bzw. offene Systeme).

Weitere Informationen: http://www.qsim.uni-freiburg.de/forschung/Qsim
Ansprechpartner: Prof. Dr. T. Schaetz
Tel: +49-0761-203-5815
Email: tobias.schaetz@physik.uni-freiburg.de

Projektbeginn: 01.04.2011
Projektende: (unbegrenzt)

Prof. Dr. T. Schaetz, Dr. U. Warring
Stellvertretung: Warring U
Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
Physikalisches Institut
Experimentelle Atom-, Molekül- und Optische Physik
Hermann-Herder-Str. 3
79104 Freiburg

Telefon: +49 (761) 203 5815
Fax: +49 (761) 203 5881
Email: tobias.schaetz@physik.uni-freiburg.de
http://www.qsim.uni-freiburg.de

• Clos G
• Kalis H
• Mielenz M
• Warring U
• Denter J
• Hakelberg F
• Minet Y
• Wittemer M

Dr. David Wineland and Dr. Didrich Leibfried; National Institute of Standards and Technology (NIST Boulder) Dr. Peter Maunz; Sandia National Laboratories (SNL) Prof. Diego Porras (University of Sussex) Dr. Alexandro Bermudez (University of Madrid) Prof. Martin Plenio (University of Ulm) Prof. Ralf Schuetzhold (University of Duesburg)

• Sachmittel Einzelförderung (BA675160), DFG
• FRIAS (junior fellow), Sonstiges
• Investitionsmittel 91b (9653), DFG
• Investitionsfonds, Sonstiges
• EU FP7 research project PICC, EU

Experimental quantum simulation, adiabatic phase transition, quantum information processing, thermalization, closed quantum system, open quantum system, coherent operation

• Schätz T: Quantum physics: Entanglement beyond identical ions Nature, 2015; 528: 337-338. : http://10.1038/528337a (download: http://www.nature.com/nature/journal/v528/n7582/pdf/528337a.pdf)
• Clos G, Enderlein M, Warring U, Schätz T, Leibfried D: Decoherence-assisted spectroscopy of a single Mg+ ion Phys Rev Lett, 2014; 112: 113003.
• Ospelkaus C, Warring U, Colombe Y: Qubits in der Mikrowelle Physik in Unserer Zeit, 2014; 45: 72.
• Arrington CL, McKay KS, Baca ED, Coleman JJ, Colombe Y, Finnegan P, Hite DA, Hollowell AE, Jordens R, Jost JD, Leibfried D, Rowen AM, Warring U, Weides M, Wilson AC, Wineland DJ, Pappas DP: Micro-fabricated stylus ion trap. Rev Sci Instrum, 2013; 84 (8): 085001-085001. : http://dx.doi.org/10.1063/1.4817304
• Bermudez A, Schaetz T, Plenio M B: Dissipation-Assisted Quantum Information Procesing with Trapped Ions Phys Rev Lett, 2013; 110: 110502. : http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.110.110502
• Bowler R, Warring U, Britton JW, Sawyer BC, Amini J: Arbitrary waveform generator for quantum information processing with trapped ions. Rev Sci Instrum, 2013; 84 (3): 033108-033108. : http://dx.doi.org/10.1063/1.4795552
• Schätz T, Monroe C, Esslinger T: Focus on quantum simulation New J. Physics, 2013; 15.
• Warring U, Ospelkaus C, Colombe Y, Jordens R, Leibfried D, Wineland DJ: Individual-ion addressing with microwave field gradients. Phys Rev Lett, 2013; 110 (17): 173002-173002.
• Bermudez A, Schaetz T, Porras D: Photon-Assisted-Tunneling Toolbox for Quantum Simulations in Ion Traps New Journal of Physics, 2012; 14 (5): 053049. (download: http://iopscience.iop.org/1367-2630/14/5/053049)
• Hite DA, Colombe Y, Wilson AC, Brown KR, Warring U, Jordens R, Jost JD, McKay KS, Pappas DP, Leibfried D, Wineland DJ: 100-fold reduction of electric-field noise in an ion trap cleaned with in situ argon-ion-beam bombardment. Phys Rev Lett, 2012; 109 (10): 103001-103001.
• Matjeschk R, Ahlbrecht A, Enderlein M, Cedzich Ch, Werner A H, Keyl M, Schaetz T, Werner R F: Quantum walk with non-orthogonal position states Phys. Rev. Lett., 2012; 109 (24): 240503-240508. (download: http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.109.240503)
• Matjeschk R, Schneider Ch, Enderlein M, Huber T, Schmitz H, Glueckert J, Schaetz T: Experimental simulation and limitations of quantum walks with trapped ions New Journal of Physics, 2012; 14 (3): 035012. (download: http://iopscience.iop.org/1367-2630/14/3/035012/)
• Schneider Ch, Enderlein M, Huber T, Dürr S, Schaetz T: Influence of static electric fields on an optical ion trap Phys. Rev. A, 2012; 85 (1): 013422-013437. (download: http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevA.85.013422)
• Schneider Ch, Porras D, Schaetz T: Experimental quantum simulations of many-body physics with trapped ions Rep. Prog. Phys., 2012; 75 (2): 024401. (download: http://iopscience.iop.org/0034-4885/75/2/024401/)
• Bermudez A, Schaetz T, Porras D: Synthetic Gauge Fields for Vibrational Excitations of Trapped Ions Phys. Rev. Lett., 2011; 107: 150501-150506. (download: http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.107.150501)
• Matjeschk R, Schneider C, Enderlein M, Huber T, Schmitz H, Glueckert J, Schätz T: Experimental simulation and limitations of quantum walks with trapped ions arXiv:1108.0913, 2011.
• Ospelkaus C, Warring U, Colombe Y, Brown KR, Amini JM, Leibfried D, Wineland DJ: Microwave quantum logic gates for trapped ions. Nature, 2011; 476 (7359): 181-184. : http://dx.doi.org/10.1038/nature10290
• Schaetz T, Schneider Ch, Enderlein M, Huber T, Matjeschk R: Quantum Odyssey of Photons Chem.Phys.Chem., 2011; 12 (1): 71-74. (download: http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cphc.201000931/abstract)
• Schneider C, Enderlein M, Huber T, Schätz T: Optical Trapping of an Ion Nature Photonics, 2010; 4: 772-775. (download: http://arxiv.org/abs/1001.2953)
• Schmitz H, Friedenauer A, Glueckert J, Schneider C, Enderlein M, Porras D, Schätz T: The “arch” of simulating quantum spin systems with trapped ions Applied Physics B, 2009; 95: 195-203. (download: http://www.springerlink.com/content/6n52n47n1tw67157/fulltext.pdf)
• Schmitz H, Matjeschk R, Schneider C, Glueckert J, Enderlein M, Huber T, Schätz T: Quantum Walk of a Trapped Ion in Phase Space Phys Rev Lett, 2009; 103: 090504. (download: http://arxiv.org/abs/0904.4214)
• Friedenauer A, Schmitz H, Glueckert J, Porras D, Schätz T: Simulating a quantum magnet with trapped ions Nature Physics, 2008; 4: 757-761. (download: http://www.nature.com/nphys/journal/v4/n10/pdf/nphys1032.pdf)
• Lamata L, Leon J, Schätz T, Solano E: Dirac Equation and Quantum Relativistic Effects in a Single Trapped Ion Phys Rev Lett, 2007; 98: 253005-253009. (download: http://prl.aps.org/pdf/PRL/v98/i25/e253005)
• Schätz T, Friedenauer A, Schmitz H, Petersen L, Kahra S: Towards (scalable) quantum simulations in ion traps Journal of Modern Optics, 2007; 54: 2317-2325. (download: http://prl.aps.org/pdf/PRL/v99/i20/e201301)
• Schuetzhold R, Uhlmann M, Petersen L, Friedenauer A, Schmitz H, Schätz T: Analogue of Cosmological Particle Creation in an Ion Trap Phys Rev Lett, 2007; 99 (20): 201301. (download: http://prl.aps.org/pdf/PRL/v99/i20/e201301)
• Friedenauer A, Markert F, Schmitz H, Kahra S, Herrmann M, Udem T, Haensch T W, Schätz T: High power all solid state laser system near 280 nm Applied Physics B, 2006; 84 (3): 371-373. (download: http://www.springerlink.com/content/37m14926m2378k87/fulltext.pdf)
• Leibfried D, Schätz T: Ein atomarer Abakus Physik Journal, 2004; 1: 23.
• Schätz T, Leibfried D, Chiaverini J: Towards a scalable quantum computer/simulator based on trapped ions Applied Physics B, 2004; 79: 979.