Projektbeschreibung
Einzelphotonenquelle der nächsten Generation macht skalierbare Quantencomputer möglich
Ein vielversprechender Ansatz für Quantencomputer ist die Nutzung einer optischen Architektur, in der Qubits durch Photonen dargestellt sind und durch einfache optische Komponenten manipuliert werden. Bisher konnten Forscherinnen und Forscher diese Methode in sehr kleinem Maßstab demonstrieren, wobei Operationen mit wenigen einzelnen Photonen durchgeführt wurden. Damit mit diesen Qubits überhaupt eine aussagekräftige Quanteninformationsverarbeitung möglich ist, werden Hunderte Photonen benötigt. Folglich sollen Einzelphotonenquellen On-Demand-Einzelphotonen gleichzeitig mit hoher Effizienz und einer nahezu einheitlichen Ununterscheidbarkeit erzeugen können. Mit den im Rahmen des EU-finanzierten Projekts UNITY stattfindenden zukunftsweisenden Forschungsarbeiten soll eine solche perfekte Einzelphotonenquelle entwickelt werden, die den aktuellen Kompromiss zwischen einer hohen Photonensammeleffizienz und der Ununterscheidbarkeit der Photonen überwinden kann. Dieser verhindert zurzeit nämlich weitere Fortschritte in der optischen Quanteninformationswissenschaft.
Ziel
Within optical quantum information processing, the quantum bits are encoded on single photons and their quantum mechanical properties are exploited to build new functionality. A prime example is the quantum computer, which can be built simply from single-photon sources and detectors, and simple optical components. However for scalable optical quantum computing involving hundreds of photons, the performance requirements for the single-photon source are daunting: the source must feature near-unity efficiency and near-unity indistinguishability simultaneously! Today, all known source designs suffer from inherent trade-offs between efficiency and indistinguishability and their performance is insufficient for scalable quantum computing.
The project objective is to realize a source of single indistinguishable photons with performance of ground-breaking nature. The break-through lies in the simultaneous realization of near-unity efficiency and indistinguishability, a combination which overcomes the limitations of present state-of-the-art and ventures far into the regime of scalable quantum computing.
As an expert in single-photon source engineering I find myself in a unique position to address this challenge. Since it is unknown how to design such a source, I will first establish a new understanding of the physics of the near-unity regime, where phonon-induced decoherence represents a main limitation for the indistinguishability. I will then advance state-of-the-art in optical engineering by proposing a novel design, where all physical parameters can be controlled independently. The modelling of the near-unity performance source is extremely demanding, and the analysis requires additional advances within optical simulations and open quantum systems theory. Once this is achieved, I will fabricate a prototype and test it in a multi-photon interference boson sampling experiment to unambiguously prove that scalable optical quantum information processing is indeed within reach.
Wissenschaftliches Gebiet
Schlüsselbegriffe
Programm/Programme
Thema/Themen
Finanzierungsplan
ERC-COG - Consolidator GrantGastgebende Einrichtung
2800 Kongens Lyngby
Dänemark