Multidimensional Hyperentangled Photon Graph States: Creation, Validation and Application (HyperGraph)

Im Zentrum der Quantenphysik und Quantentechnologie steht das faszinierende Phänomen der Verschränkung, von dem sich die Gesellschaft im Rahmen der zweiten Quantenrevolution verbesserte und völlig neuartige technische Anwendungen erhofft.

Verschränkte Quantenzustände sind extrem schwer zu erzeugen und zu validieren. Erst vor 50 Jahren wurde gezeigt, dass verschränkte Zustände die Bellschen Ungleichungen verletzen, wobei zwei verschränkte quantisierte Zustände elektromagnetischer Strahlung, sogenannte Einzelphotonen-Zustände, verwendet wurden. Für diese Leistung wurde 2022 der Nobelpreis für Physik verliehen.

Seitdem sind verschränkte Zustände Motor für Grundlagen- und angewandte Forschung. Interessanterweise kann Verschränkung theoretisch zwischen einer beliebigen Anzahl von Photonen erzeugt werden. Ihre Erzeugung war jedoch sehr schwierig, und in den letzten Jahren wurde die Größe eindimensionaler verschränkter Photonenzustände bis 2022 auf 14 erhöht. Der langsame Fortschritt wird hauptsächlich durch die Entwicklung deterministischer Einzelphotonenquellen begrenzt.

Kürzlich habe ich eine neuartige Spin-Photon-Schnittstelle in Diamant entwickelt, deren Emitter-Detektor-Effizienz theoretisch über 99 % und realistisch bis zu 90 % liegt. Diese Rekordwerte werden durch die Sawfish-Schnittstelle ermöglicht. Durch die Multiplexierung mehrerer solcher Schnittstellen lassen sich große 2D- und sogar 3D-Photonengraphzustände erzeugen.

Diese Zustände sind so komplex, dass zu ihrem Verständnis neue theoretische Modelle erforderlich sind. Die Verwendung von Zuständen, deren Dichtematrix mit klassischen Computern niemals berechnet werden könnte, ist in der Tat ein konzeptionelles Problem in der Theorie. In diesem Bereich wird die experimentelle Forschung von HyperGraph Konzepte und neue Entdeckungen in der Theorie anregen. Darüber hinaus erwarte ich aufgrund der vielen Verbindungsgrade zwischen den einzelnen Qubits innovative Konzepte für die Fehlerkorrektur, neuartige und möglicherweise verbesserte Protokolle in der fehlertoleranten Quanteninformationsverarbeitung und sogar völlig neue Anwendungsfälle, die parallel und über HyperGraph hinaus entwickelt werden.