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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einstellung eines Zustands wenigstens eines 2-Niveau-Quantenbits, bei dem in einem zeitlichen Abstand zueinander mit demselben ersten Manipulationsmittel zwei insbesondere identische Gate-Manipulationen auf das wenigstens eine 2-Niveau Quantenbit angewendet werden und zeitlich mit oder nach der ersten der beiden Gate-Manipulationen mit einem zweiten Manipulationsmittel eine variable Phasen-Manipulation vorgenommen wird.
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Ein solches Verfahren ist z.B. bekannt aus den Publikationen ZRENNER, A. [et al. ]: Recent developments in single dot coherent devices. In: Physica Status Solidi B - Basic Solid State Physics, Vol. 243, 2006, No. 14, S. 3696-3708. - ISSN 0370-1972. DOI: https://doi.org/10. 1002/pssb. 200642339 und ANGELAKIS, Dimitris G. [et ai. ]: A proposal for the implementation of quantum gates with photonic-crystal waveguides. In: Physics Letters A, Vol. 362, 2007, No. 5-6, S. 377-380. - ISSN 0375-9601. DOI: https://doi.org/10.1016/j. physleta. 2006.10.046
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Unter einem Quantenbit oder kurz Qubit wird im Stand der Technik ein beliebig manipulierbares 2-Niveau-Quantensystem verstanden, z.B. ein Halbleiter Quantenpunkt. Diese Bezeichnung deutet jedoch nicht konkret auf die Zahl der möglichen Zustände, die dieses System annehmen kann. Jedes quantenmechanische System dieser Art kann prinzipiell unendlich viele Zustände annehmen, jedoch kann im Allgemeinen der Zustand eines solchen Quantensystems durch eine Messung nicht sicher bestimmt werden, vielmehr wird die Wahrscheinlichkeit eines Messwertes durch den vor der Messung vorliegenden Zustand des Quantenbits bestimmt.
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Die Bezeichnung als 2-Niveau-Quantenbit resultiert im Wesentlichen daraus, dass ein solches Quantenbit nur zwei sogenannte Eigenzustände aufweist, die sich durch Messung sicher unterscheiden lassen.
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Betrachtet man demnach ein Quantenbit im Vergleich zu einem klassischen Speicherbit, so kann auch in einem Quantenbit genau ein klassisches Bit gespeichert werden, da nur zwei Zustände, zuvor als Eigenzustände bezeichnet, sicher voneinander unterscheidbar sind.
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Der Vorteil der Quantenbits liegt aber gerade in der Existenz der weiteren Zustände, auch wenn diese nicht durch eine Messung unterscheidbar sind, da zumindest für Zeiten vor einer Messung diese existierenden Zustände genutzt werden können, beispielsweise für Berechnungen. So bilden beispielsweise Quantenbits in der Quanteninformatik die Grundlage für Quantencomputer sowie für die Quantenkryptografie. Ein Quantenbit, welches als 2-Niveau-System ausgebildet ist, bildet somit die kleinstmögliche Speichereinheit für einen Quantenzustand und definiert gleichzeitig ein Maß für die Quanteninformation.
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Die Zustände eines Quantenbits lassen sich repräsentieren als die Punkte auf der Oberfläche einer Kugel im dreidimensionalen Raum, die als Bloch-Kugel bezeichnet wird. Diese Zustände auf der Oberfläche der Kugel bilden die sogenannten reinen Zustände, wobei grundsätzlich auch gemischte Zustände möglich sind, die durch Punkte im Inneren der Kugel repräsentiert werden.
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Die Messung des Zustands eines Quantenbits kann in diesem Repräsentationsbild verstanden werden als die Projektion des Punktes auf der Oberfläche oder auch im Inneren der Kugel auf die Mittelpunktsgerade der Bloch-Kugel, welche die beiden orthogonalen Eigenzustände, die also auf der Kugeloberfläche einander gegenüberliegen, miteinander verbindet. Das Ergebnis der Projektion stellt demnach die Wahrscheinlichkeit für den Zustand und damit das Ergebnis der Zustandsmessung dar.
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Wie in der klassischen Informatik ist es auch für die Quanteninformatik bzw. Quantenkryptografie wesentlich, nicht nur mit einem Quantenbit zu rechnen, sondern mit mehreren Quantenbits, um somit den Informationsgehalt zu skalieren. Insbesondere hierbei hat es sich als Problem erwiesen, dass zwar grundsätzlich ein Quantenbit zur Einstellung eines gewünschten Zustands manipuliert werden kann, hierbei ist es jedoch notwendig, die jeweilige Manipulation individuell für jedes einzelne Quantenbit bereitzustellen.
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Manipulationen, die in diesem Zusammenhang auch als „gate“ bezeichnet werden, können z. B. optisch erfolgen, so dass die Notwendigkeit besteht, für jedes Quantenbit zur Erzielung eines bestimmten gewünschten Zustands einen bestimmten, hierfür benötigten optischen Lichtimpuls bereitzustellen, beispielsweise durch entsprechende Auswahl der Phase und der Amplitude der Lichtanregung. Dabei besteht insbesondere die Problematik, zur Durchführung schneller Rechnungen, die optischen Pulse in einer ihrer Eigenschaften, wie beispielsweise Amplitude und/oder Phase zu manipulieren, um auf die Zustände von Quantenbits genügend schnell Einfluss zu nehmen. Kurzfristige Beeinflussungen eines stabil laufenden Lasers sind jedoch auf den erforderlichen Zeitskalen nicht ohne weiteres möglich.
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Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Einstellung eines Zustands wenigstens eines 2-Niveau-Quantenbits bzw. auch mehrerer 2-Niveau-Quantenbits bereitzustellen, mit dem eine möglichst universelle und schnelle variable Einstellung eines gewünschten Zustands oder Änderung eines Zustandes eines Quantenbits ermöglicht wird.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe in einem Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Wesentlich ist es, dass mit dem ersten Manipulationsmittel eine Zustandsmanipulation einer ersten Art vorgenommen wird, wobei bevorzugt das erste Manipulationsmittel in einer sich wiederholenden konstanten Betriebsart betrieben wird und dass mit dem zweiten Manipulationsmittel von Mal zu Mal variable Manipulationen einer zweiten Art durchgeführt werden, das zweite Manipulationsmittel also nicht konstant, sondern jeweils verschieden eingestellt betrieben wird.
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Dabei kann beispielsweise ein solches Verfahren angewendet werden auf einen bestehenden Eigenzustand, beispielsweise den Nullzustand des Quantenbits sowie auch auf bereits existierende, davon abweichende reine oder gemischte Zustände.
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Vorteilhaft ist es hierbei, dass durch diese Art der Anwendung der ersten und zweiten Manipulationsmittel auf ein Quantenbit grundsätzlich eine beliebige Amplitude auf der Bloch-Kugel, welche die Zustände dieses Quantenbits beschreibt, erreicht werden kann.
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Dem liegt die Überlegung zugrunde, dass mit der Anwendung der Gate-Manipulation durch das erste Manipulationsmittel zunächst ein Zustand auf der Bloch-Kugel mit einer ersten Amplitude erzielt werden kann, insbesondere ein reiner Zustand auf der Oberfläche der Kugel, wobei sodann durch die Anwendung des zweiten Manipulationsmittels der erste erreichte Zustand lediglich in seiner Phase geändert wird, was im Repräsentationsbild mit der Bloch-Kugel bedeutet, dass der Zustand unter Beibehaltung der Amplitude auf der Bloch-Kugel verschoben wird. Durch die nochmalige Anwendung der Gate-Manipulation mit demselben ersten Manipulationsmittel kann sodann eine zweite Amplitude auf der Bloch-Kugel erzielt werden, die im Wesentlichen neben der gegebenen Abhängigkeit der Gate-Manipulation durch das erste Manipulationsmittel abhängig ist von der Größe der Phasenverschiebung, die mit der variablen Phasenmanipulation durch das zweite Manipulationsmittel erzielt wurde.
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Es besteht hier als ein wesentlicher Kerngedanke der Erfindung demnach die Möglichkeit, erste und zweite Manipulationsmittel vorzusehen, wobei lediglich die zweiten Manipulationsmittel eine Variabilität aufweisen müssen, um variable Phasenmanipulationen vornehmen zu können. Die ersten Manipulationsmittel hingegen bedürfen keiner zwingend notwendigen variablen Einstellbarkeit der mit ihnen durchgeführten Gate-Manipulationen, so dass hier auch die Möglichkeit besteht, auf Manipulationsmittel zurückzugreifen, die immer wiederkehrende gleichartige Gate-Manipulationen vornehmen.
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Es besteht demnach die Möglichkeit, hier auf erste Manipulationsmittel zurückzugreifen, die in einer möglichen Ausführung z.B. repetierlich arbeiten, wobei es auch vorgesehen sein kann, dass mittels dem ersten Manipulationsmittel zwei identische Gate-Manipulationen durchgeführt werden. Dies ist für die vorliegende Erfindung besonders vorteilhaft, jedoch nicht zwingend nötig. Als wesentlich wird es jedoch empfunden, dass die von dem ersten Manipulationsmittel aufeinanderfolgend durchgeführten Gate-Manipulationen zueinander reproduzierbar korreliert sind, insbesondere hinsichtlich der Amplitude und der Phase, um reproduzierbare Manipulationen der Zustände eines 2-Niveau-Quantenbits mit diesen Gate-Manipulationen der ersten Manipulationsmittel zu erzeugen.
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In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass mit demselben zweiten Manipulationsmittel eine weitere Phasenmanipulation des 2-Niveau-Quantenbits zeitlich mit oder nach der zweiten der beiden Gate-Manipulationen vorgenommen wird.
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Diese Weiterbildung hat den besonderen Vorteil, dass gegenüber der zuvor genannten grundlegenden Ausführung der Erfindung nicht nur eine jegliche beliebige Amplitude auf der Bloch-Kugel erzielt werden kann, sondern innerhalb dieser beliebigen Amplitude auf der Bloch-Kugel auch jede beliebige Phase, so dass durch diesen weiteren Verfahrensschritt demnach die Möglichkeit erschlossen wird, tatsächlich jeden beliebigen Zustand, der durch die Oberfläche der Bloch-Kugel beschrieben wird, einzustellen.
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Auch hierbei kann es, wie eingangs beschrieben, vorgesehen sein, dass die Gate-Manipulation, die mit dem ersten Manipulationsmittel durchgeführt werden, zueinander korreliert bzw. besonders bevorzugt identisch sind, wohingegen die beiden jeweils folgenden Phasenmanipulationen variabel ausgestaltet werden können.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass es sich bei den beiden Gate-Manipulationen, die durch die ersten Manipulationsmittel erzeugt werden, um sogenannte Hadamard-Gates handelt.
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Hadamard-Gates sind dabei solche Arten von Manipulationen, die bewirken, dass der Bloch-Vektor, der den Zustand des Quantenbits in der Bloch-Kugel beschreibt und der demnach vom Mittelpunkt der Bloch-Kugel entspringt und in der Oberfläche der Kugel endet, um PI/2, bzw. 90 Grad gedreht wird.
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Eine solche Art der Gate-Manipulation wird erfindungsgemäß erzielt durch eine optische Anregung des 2-Niveau-Quantenbits durch phasenkorrelierte Laserpulse.
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Unter dem ersten Manipulationsmittel werden demnach im Sinne der hier vorliegenden Erfindung die Laserpulse selbst verstanden bzw. eine diese Laserpulse erzeugende Vorrichtung. Hadamard-Gates lassen sich demnach mit Laserpulsen, beispielsweise durch entsprechende Auswahl der Phase sowie der Amplitude erzeugen, wobei durch die Phase des Laserpulses die Drehachse definiert wird, um die ein Bloch-Vektor, der den Zustand des Quantenbits beschreibt, rotiert wird.
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Die beiden aufeinanderfolgenden Gate-Manipulationen, die durch das erste Manipulationsmittel und in dieser Ausführung durch phasenkorrelierte Laserpulse erzeugt werden, bewirken demnach aufgrund der Phasenkonstanz der Laserpulse immer eine Drehung um dieselbe Drehachse, wobei ein erster Hadamard-Gate dieser Art, sofern er auf den Nullzustand des Quantenbits angewendet wird, einen Zustand erzeugt, der auf der Äquatoriallinie der Bloch-Kugel liegt und sodann auf dieser Äquatoriallinie mit einer variablen Phasenmanipulation verschoben werden kann.
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Demnach ist es ersichtlich, dass durch die variable Anwendung der Phasenmanipulation, die auf einen ersten Hadamard-Puls und vor einem zweiten Hadamard-Puls folgt, eine variable Einstellung der Amplitude des Zustands auf der Bloch-Kugel möglich ist.
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Dabei ändert sich die Amplitude, ausgehend von der Äquatoriallinie der Bloch-Kugel maximal, wenn die angewandte Phasenmanipulation keine Phasenverschiebung oder ein PI-Phasenverschiebung bewirkt, wodurch sodann ein zweiter Hadamard-Puls wirkt, um den Einszustand auf der Bloch-Kugel oder wieder den Nullzustand zu erzielen.
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Keine Veränderung der Höhenlage gegenüber der Äquatoriallinie wird erzielt, wenn die Phasenlage mit der Phasemanipulation um PI/2 geändert wird. Wird nämlich eine PI/2-Phasenänderung mit der Phasenmanipulation durchgeführt, so wird der Bloch-Vektor parallel zur Drehachse ausgerichtet, um die der zweite Hadamard-Puls den Bloch-Vektor dreht, d.h. dieser wird durch die zweite Gate-Manipulation in sich selbst überführt, so dass sich keine Änderung der Höhenlage ergibt.
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Wird demnach zwischen zwei Hadamard-Gates, die durch Laserpulse angewendet werden, eine Phasenverschiebung zwischen Null und PI/2 durch das variable Phasengate auf das erzeugte Quantenbit angewandt, so kann eine beliebige Höhe zwischen der Äquatoriallinie und dem Einszustand erzielt werden, wohingegen eine beliebige Höhe zwischen der Äquatoriallinie und dem Nullzustand erzielt wird, wenn die variable Phasenverschiebung zwischen PI/2 und PI liegt.
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Wird demnach durch die erste Phasenmanipulation nach der ersten Gate-Manipulation mit dem ersten Manipulationsmittel und der nachfolgenden nochmaligen Gate-Manipulation aufgrund des ersten Manipulationsmittels eine zunächst beliebige Höhe des Zustands in der Bloch-Kugel erzielt, so kann dann durch eine weitere Phasenmanipulation nach der zweiten der beiden Gate-Manipulationen mit dem ersten Manipulationsmittel innerhalb der so erzielten Höhe jede beliebige Phasen-Lage eines Zustands eingestellt werden.
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In einer bevorzugten Ausführung kann es vorgesehen sein, dass die zwei phasenkorrelierten Laserpulse, die das erste Manipulationsmittel ausbilden sollen, aus einem Einzelpuls eines repetierenden Lasersystems erzeugt werden. Hierbei kann eine besonders gute Phasenkorrelation beispielsweise erzielt werden, wenn ein Puls eines repetierenden Lasersystems in zwei Pulse aufgespalten wird, z.B. in einem Interferometer aufgespalten wird, wodurch die Phasenkorrelation zwischen den Pulsen durch Laufzeitvariation eingestellt werden kann.
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Diese beiden phasenkorrelierten Laserpulse können demnach als erste Manipulationsmittel eingesetzt werden, um die jeweilige korrelierte, bevorzugt identische Gate-Manipulation vorzunehmen.
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Grundsätzlich ist es auch denkbar, statt der Anwendung eines Interferometers direkt eine gepulste Laserquelle zu verwenden, deren Pulse bereits konstruktionsbedingt phasenkorreliert sind. Die von einem solchen Laser emittierten Laserpulse bilden jeweils sodann die ersten Manipulationsmittel zur Durchführung der phasenkorrelierten, bevorzugt identischen Gate-Manipulationen.
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Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, die variablen Phasenmanipulationen durchzuführen durch eine zeitlich begrenzte Anwendung eines elektrischen und/oder magnetischen Feldes auf das wenigstens ein 2-Niveau-Quantenbit, um nämlich so zeitweise die Frequenz des 2-Niveau-Quantenbits zu ändern, welches durch die erste und/oder zweite Gate-Manipulation gebildet wird.
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Dabei erweist es sich als vorteilhaft, dass gerade solche Änderungen eines elektrischen oder magnetischen Feldes mit der heutigen Technik zeitlich extrem schnell durchgeführt werden können, so dass die Möglichkeit besteht, entsprechend zeitlich schnelle Zustandsänderungen am Quantenbit vorzunehmen.
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Die Tatsache, dass eine Änderung der Phase, d.h. eine Verschiebung des Zustands unter Beibehaltung der Amplitude auf der Bloch-Kugel erzielt wird, kann klassisch damit erklärt werden, dass durch die erste Gate-Manipulation mit dem ersten Manipulationsmittel ein Dipol mit einer bestimmten Frequenz F1 erzeugt wird, wobei durch die Anwendung der Phasenmanipulation, beispielsweise durch ein elektrisches oder magnetisches Feld, die Frequenz geändert wird. Nach der zeitweisen Anwendung der Phasenmanipulation hat der Dipol zwar wieder dieselbe Frequenz F1, ist jedoch in seiner Phasenlage zum ursprünglich erzeugten Dipol verschoben.
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Die Anwendung eines elektrischen oder magnetischen Feldes bietet sich hier vorliegend an, da durch diese Felder aufgrund des Stark- oder Zeemann-Effektes eine Änderung der beteiligten Niveaus des 2-Niveau-Quantenbits erzielt werden kann, was sodann die Änderung der Phasenlage bedingt.
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Die Anwendung eines nur zeitweise wirkenden elektrischen oder magnetischen Feldes kann z.B. durch Ansteuerung von Feldelektroden oder transiente magnetische Felder erfolgen, die ein Quantenbit umgeben. Dabei muss es nicht zwingend vorgesehen sein, dass vor der Anwendung des hier als erfindungswesentlich beschriebenen elektrischen und/oder magnetischen Feldes ein Quantenbit feldfrei war. Vielmehr ist es auch als erfindungsgemäß zu verstehen, wenn sich durch die Anwendung der Phasenmanipulation das Feld in dem sich ein Quantenbit befindet, ändert.
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Erfindungsgemäß wird bei dem beschriebenen Verfahren mit den insbesondere identischen bzw. zumindest phasenkorrelierten Gate-Manipulationen, wie sie durch aufeinanderfolgende phasenkorrelierte Laserpulse erzeugt werden können, nicht nur ein einziges 2-Niveau-Quantenbit angeregt, sondern es werden innerhalb eines räumlich ausgedehnten Laserprofils eine Anordnung aus einer Vielzahl von 2-Niveau-Quantenbits parallel beleuchtet und somit die eingangs beschriebene Anwendung der Gate-Manipulation durch das erste Manipulationsmittel parallel auf diese Vielzahl von Quantenbits ausgeübt.
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So erhält im Wesentlichen jedes der beteiligten 2-Niveau-Quantenbits durch diese parallele Anwendung zunächst einen Zustand, der bei jedem der beteiligten 2-Niveau-Quantenbits durch dieselbe Höhe des Bloch-Vektors auf der Bloch-Kugel beschrieben wird, wobei jedoch dann vorgesehen ist, auf jedes der 2-Niveau-Quantenbits aus der genannten Vielzahl der 2-Niveau-Quantenbits eine individuelle Phasenmanipulation anzuwenden.
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Auch hier ist es so, wie eingangs beschrieben, dass eine individuelle Phasenmanipulation zumindest nach der ersten, zuvor beschriebenen Gate-Manipulation mit dem ersten Manipulationsmittel erfolgt, gegebenenfalls auch erneut nach der Anwendung einer nochmaligen Gate-Manipulation mit dem ersten Manipulationsmittel, also hier jeweils nach den beiden aufeinander folgenden Laserpulsen. So kann in einer Anordnung aus einer Vielzahl von Quantenbits somit in jedem der Quantenbits ein gewünschter individueller Zustand eingestellt werden, wobei sich diese individuelle Einstellung im Wesentlichen auf die Variabilität der Phasenmanipulation zurückführen lässt, da die Gate-Manipulation mit dem ersten Manipulationsmittel für alle Quantenbits jeweils die gleiche ist.
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Es besteht demnach die Möglichkeit, mit einer Anordnung einer Vielzahl von 2-Niveau-Quantenbits, die z.B. auch in einer n x m-Matrix angeordnet sein können, ein Quantenregister auszubilden, mittels dem hochskalierte Rechnungen durchgeführt werden können, wobei der variable Anteil solcher Rechnungen realisiert wird durch die individuelle Einstellung der Phasenmanipulation mit elektrischen und/oder magnetischen Feldern. Eine Taktung eines solchen Systems kann demnach optisch erfolgen durch die Anwendung von aufeinanderfolgenden Laserpulsen, die zueinander zumindest phasenkorreliert sind.
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In einer weiteren Anwendung kann es dabei auch vorgesehen sein, durch die zweiten Manipulationsmittel, mit denen elektrische und/oder magnetische Felder individuell um ein jeweiliges Quantenbit angelegt werden können, benachbarte 2-Niveau-Quantenbits aneinander resonant zu koppeln. So können sogenannte CNOT- bzw. auch SWAP-Gates realisiert werden.
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Eine konstruktive Ausbildung eines zweiten Manipulationsmittelszur Anlegung eines elektrischen Feldes, wird durch Feldelektroden, insbesondere somit Kondensatoren, erzielt, zwischen denen jeweils ein 2-Niveau-Quantenbit, z.B. als Halbleiter-Quantenpunkt angeordnet ist. Ein solches 2-Niveau-Quantenbit befindet sich demnach im elektrischen Feld dieser Elektroden, so dass durch Veränderung der Feldstärke die gewünschte Phasenmanipulation vorgenommen werden kann.
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Durch die Variabilität des Feldes lässt sich auch kompensieren, dass zwei aus einem Laserpuls hergestellte Pulse in der Praxis nicht exakt identisch, aber zumindest phasenkorreliert sind. Der Phasenfehler des zweiten Pulses zum ersten kann bei der elektrischen bzw. magnetischen Phasenmanipulation berücksichtigt werden. Dies gilt sowohl für einzelne Quantenbits als auch Quantenregister.
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Ein Quantenregister, welches demnach mehrere 2-Niveau-Quantenbits umfasst, insbesondere somit wenigstens zwei, bevorzugt jedoch ein Feld aus n x m 2-Niveau-Quantenbits, wobei n bzw. m jeweils beliebige natürliche Zahlen annehmen kann, ist demnach gebildet durch eine Anordnung, in der alle diese Quantenbits durch erste Manipulationsmittel parallel optisch mit Laserlichtpulsen, zur Einstellung eines Zustands anregbar sind, wobei es sodann gemäß der Erfindung vorgesehen ist, dass jedem der 2-Niveau-Quantenbits individuelle zweite Manipulationsmittel zur zeitweisen Beeinflussung der Frequenz eines eingestellten Zustands zugeordnet sind. Wie beschrieben, können dabei die zweiten Manipulationsmittel ausgebildet sein durch Kondensatorelektroden, in deren jeweiligen Feldbereich je ein Quantenbit angeordnet ist. Um eine konstruktive einfache Ausgestaltung zu erzielen, kann es dabei vorgesehen sein, dass eine der Kondensatorelektroden eine für alle Quantenbits gemeinsame Elektrode bildet.
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Die Ausführung der Erfindung ist anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:
- 1 die zeitliche Aufeinanderfolge von Laserpulsen als erste Manipulationsmittel zur Erzeugung zweier aufeinanderfolgender Gate-Manipulationen sowie die jeweilige zeitlich nachfolgende Anwendung einer Gatespannung eines ein Quantenbit umgebenden Kondensators sowie die jeweilige Auswirkung auf den Zustand eines Quantenbits, wie er durch eine Bloch-Kugel beschrieben wird
- 2 die schematische Realisierung eines Quantenregisters gemäß der Erfindung zur Durchführung des Verfahrens
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Die 1 beschreibt in einer konkreten Anwendung das erfindungsgemäße Verfahren, bei dem die ersten Manipulationsmittel durch zwei zeitlich beabstandete phasenkorrelierte Laserpulse erzeugt werden. Diese beiden zeitlich beabstandeten Laserpulse können beispielsweise erhalten werden durch einen ursprünglichen Laserpuls, der beispielsweise einem repetierend betriebenen Laser entstammt und der in einem Michaelson-Interferometer in zwei Pulse aufgespalten wurde, die bevorzugt theoretisch identisch sind bzw. zumindest zueinander eine Phasenkorrelation aufweisen. Lediglich als ein mögliches Beispiel sind Pulsbreiten der Laserpulse von 2,5 Pikosekunden angegeben.
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Unter Bezugnahme auf die zeitliche Darstellung im oberen Teil der 1 ist es dabei vorgesehen, dass nach einer ersten Gate-Manipulation durch das erste Manipulationsmittel anhand des Laserpulses P1 zeitlich begrenzt eine als variables Phasengate bezeichnete Phasenmanipulation V1 durchgeführt wird, bei der eine Spannung V einer bestimmten Höhe für ein vorgegebenes Zeitintervall ΔT an Kondensatorelektroden angelegt wird, die ein Quantenbit umgeben.
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Zeitlich nachfolgend erfolgt wiederum eine Gate-Manipulation mit dem ersten Manipulationsmittel anhand eines zumindest phasenkorrelierten Laserpulses P2, worauf es sodann in bevorzugter Ausführung vorgesehen sein kann als zweite Phasenmanipulation V2, eine zweite, gegebenenfalls von der ersten abweichende Spannung an die Kondensatorplatten erneut anzulegen.
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Die Auswirkung dieser Verfahrensschritte ist in der 1 unten dargestellt.
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Diese 1 zeigt in der unteren Reihe eine Bloch-Kugel, welche die jeweiligen erzielten Zustände des Quantenbits repräsentiert. Ausgehend davon, dass ein ursprünglicher Nullzustand des Quantenbits vorliegt, erzeugt der Laserpuls P1 zum Zeitpunkt T1 der hier als sogenannter Hadamard-Puls ausgeführt sein kann, aufgrund der gewählten Phase eine Drehung des Bloch-Vektors, wie sie durch den Pfeil im Teil I der 1 dargestellt ist.
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Dies bedeutet, dass der Bloch-Vektor der Bloch-Kugel in die Äquatorialebene angehoben wird. Durch die Anwendung eines elektrischen Feldes durch das Anlegen einer grundsätzlich variablen Spannung an die Kondensatorplatten, die das Quantenbit umgeben, wird nun erzielt, dass sich die Lage des Bloch-Vektors in der Äquatorialebene ändert, wie es der Teil II der 1 bei der Bloch-Kugel symbolisiert.
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Im Teil III wird dargestellt, dass unter Anwendung des nachfolgenden Laserpulses P2 und der grundsätzlich gleichen Phase eine nochmalige Drehung des Bloch-Vektors um dieselbe Rotationsachse, wie sie hier durch den Vektor U gegeben ist, vorgenommen wird. Wiederum erfolgt eine Drehung um den Winkel PI/2 aufgrund der Auswahl als Hadamard-Puls, so dass aufgrund der zuvor eingestellten Phasenlage nunmehr eine Amplitude auf der Bloch-Kugel zwischen der Äquatorialebene und dem Zustand 1 erreicht wird.
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Durch die Anwendung der nachfolgenden Phasenmanipulation, nämlich durch das Anlegen einer erneuten variablen Spannung an die Kondensatorplatten, die das Quantenbit umgeben, kann ausgehend von der Höhe auf der Bloch-Kugel, die unter Schritt III erzielt wird, nunmehr in Schritt IV innerhalb der zuvor erzielten Höhe jede beliebige Phasenlage eingestellt werden, so dass insgesamt betrachtet durch die zeitlich versetzte Aufeinanderfolge optischer und elektrischer Pulse auf ein- und dasselbe Quantenbit ein grundsätzlich beliebig einstellbarer Zustand des Quantenbits erzielt werden kann, der durch einen Punkt auf der Oberfläche der Bloch-Kugel symbolisiert wird.
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Dabei ist mit allgemeiner Gültigkeit festzustellen, dass die Anwendung der zuvor beschriebenen Abfolge von ersten und zweiten Manipulationsmittel nicht zwingend immer ausgehend vom Nullzustand eines Quantenbits erfolgen muss, sondern grundsätzlich ausgehend von jedem beliebigen Zustand erfolgen kann, so dass die Möglichkeit besteht, durch die beschriebene kombinierte Abfolge optischer und elektrischer Impulse, ausgehend von einem jeden beliebigen Zustand auf der Bloch-Kugel jeder beliebige andere Zustand des Quantenbits eingestellt werden kann.
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Es besteht demnach die Möglichkeit, im Takt der optischen Laserpulse Zustandsmanipulationen, somit also beispielsweise Berechnungen, unter Zuhilfenahme der Quantenbits durchzuführen. Erst am Ende einer Manipulationsfolge, z.B. einer Rechnung kann ein Auslesen des erzielten Zustands vorgenommen werden. Beispielsweise kann hierfür eine entsprechende Auslesespannung an die Elektroden angelegt werden, die ein Quantenbit umgeben, welches einer praktischen Projektion des Zustands auf die Mittelachse W der Bloch-Kugel entspricht, insbesondere wobei das Quantenbit in einen seiner Eigenzustände zurückgeführt wird.
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Dieses beschriebene grundsätzliche Verfahren kann Anwendung finden in einem Quantenregister, wie es schematisch in der 2 dargestellt ist. Hier ist es erkennbar, dass eine Vielzahl von Quantenbits 1, hier lediglich in linear nebeneinanderfolgender Anordnung arrangiert sind.
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Selbstverständlich besteht hier auch die Möglichkeit, ein Feld aus m x n-Quantenbits vorzusehen. Erkennbar ist es hier, dass jedes Quantenbit 1 von Elektroden 3 und 4 umgeben ist, sich also in einem elektrischen Feld befindet, welches durch diese Elektroden 3 und 4 variabel erzeugt werden kann, indem eine Spannung zwischen den beiden Elektroden angelegt wird.
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Dabei ist es in dieser Ausführung vorgesehen, dass die Elektrode 4 eine für alle Quantenbits gemeinsame Elektrode ist und die Elektroden 3 für jedes Quantenbit individuell mit einer Steuerspannung beaufschlagt werden kann, die z.B. aus einer Steuereinrichtung 5 stammt bzw. durch diese erzeugt ist. So bilden demnach die Kondensatoranordnungen bzw. das dadurch erzielte elektrische Feld im Sinne der Erfindung zweite Manipulationsmittel, mit denen eine individuelle Phasenmanipulation durchgeführt werden kann.
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Symbolisiert ist es angedeutet, dass ein Laserpulse 2 auf alle Quantenbits parallel wirkt. Es werden demnach alle Quantenbits, wie es in dem vorherigen Verfahren beschrieben wurde, in einen Zustand überführt, der der Darstellung I in der 1 entspricht, so dass dann mit einer nachfolgenden angelegten individuellen Spannung an die Elektrode 3 ein jedes Quantenbit 1 individuell manipuliert werden kann, um die Phasenlage des Zustandes zu ändern. Durch wiederholte Anwendung des Laserpulses 2 und einer variablen Spannung wird sodann in jedem der hier dargestellten Quantenbits 1 ein beliebiger individueller Zustand eingestellt, der durch weitere Manipulationen derselben Art geändert werden kann, so, wie bei 1 beschrieben.
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Deutlich wird, dass es für die Erfindung wesentlich ist, zwei verschiedene Mittel zur Manipulation eines Quantenbits bereitzustellen, wobei erste Mittel vorgesehen sind, um jeweils zumindest artgleiche Gate-Manipulationen durchzuführen, insbesondere identische bzw. zumindest phasenkorrelierte Gate-Manipulationen. Es kann sich demnach um ein Manipulationsmittel handeln, welches kontinuierlich repetierlich läuft und auf welches gegebenenfalls kein weiterer Einfluss zu nehmen ist.
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Durch die weiterhin bereit gestellten zweiten Mittel wird ein variabler Manipulationsanteil bereitgestellt, mit dem individuell auf den gewünschten Zustand eines Quantenbits Einfluss genommen werden kann. Hierbei ist es der wesentliche Vorteil, dass diese Einflussnahme beispielsweise durch Änderung eines elektrischen Feldes erfolgen kann, was in sehr kurzen Zeiten durch übliche Elektroniken erfolgen kann. Es erschließen sich demnach skalierte Anwendungen einer Vielzahl von Quantenbits mit dem hier vorgestellten Verfahren zur Durchführung quanteninformatischer Berechnungen.