2021S704710 Seminar mit Bachelorarbeit

Themenauswahl aus dem Forschungsgebiet Photonik

Betreuung: Stefan Frick (SF), Vikas Remesh (VR), Gregor Weihs (GW)

Die Themen können entweder nur auf der Basis von Fachliteratur oder (nicht alle davon) mit eigener experimenteller bzw. computerunterstützter Komponente bearbeitet werden. Für letztere Variante ist es sehr ratsam das Laborpraktikum der Experimentalphysik: Optik (704718/704727) zusätzlich zu belegen, entsprechend drei Wochen Vollzeit Arbeit im Labor. Ansonsten kann der Zeitaufwand für die Bachelorarbeit kaum bewältigt werden. Wir empfehlen, das Laborpraktikum, bzw. die Bachelorarbeit nach Absprache mit dem Betreuer bereits in den Semesterferien zu beginnen. Durchgestrichene Themen sind bereits vergeben.

GW.1 Quantenüberlegenheit mit Photonen (GW)

Quantenüberlegenheit bedeutet einen kontrolliertes Quantensystem, einen Quantencomputer oder -simulator einen Algorithmus abarbeiten zu lassen, dessen Ergebnisse auf klassischen Computern nicht in vergleichbar kurzer Zeit berechnet werden können. Insbesondere kommt es dabei auch auf die Skalierung an, dass also der Quantencomputer für eine größere Variante des Algorithmus nicht exponentiell länger zur Berechnung braucht, der klassische aber schon. Der Gruppe um Prof. Jian-Wei Pan in China ist es kürzlich gelungen eine solche Überlegenheitsdemonstration für einen photonischen Quantenprozessor zu demonstrieren. Dabei werden viele nichtklassische Photonenzustände in ein Netz von Strahlteilern injiziert und die Muster am Ausgang des Netzes gemessen. Die Simulation dieses Problems, auch genannt "Boson Sampling" auf klassischen Computern ist außerordentlich zeitaufwendig, sodass selbst ein Supercomputer die Verteilung der Ausgangsmuster nur um Größenordnungen langsamer  vorhersagen kann als sie der Quantenprozessor erzeugt.

VR.1 Vector beams in quantum communication (VR)

In addition to its amplitude and phase, light also has polarization properties, allowing us to extract information about the source that are otherwise inaccessible. Of particular use to various scientific applications like imaging, particle trapping and quantum communication are vector beams, with spatially varying polarization properties, such as L-G, Bessel or radially polarized beams, or even vector vortex beams [1]. Such beams have a strong axial field component, which was recently proposed as an alternative scheme to access optically dark excitonic states in quantum dots, through spin coupling of higher excited states [2]. Vector beams are also suitable candidates for dense encoding in quantum communication protocols [3]. This research project involves theoretical and experimental tasks, depending on the interest of the candidate, but will broadly follow this scheme: calculate the relevant properties and perform a parameter study of various vector beam shapes and (later) program a spatial light modulator/phase plate for using such beams in the experimental setup.

SF.1 The Quantum Illumination Story (SF)

Als Quantenillumination 2005 vorgeschlagen wurde [1] versprach sie Bildaufnahmen und Detektionsanwendungen zu revolutionieren. Ein Quantenzustand, welcher über eine große Anzahl von Moden verschränkt ist, als Lichtquelle zur Beleuchtung von Objekten zu verwenden schien Kontraste gegen Hintergrund zu ermöglichen welche um viele Größenordnungen größer sind als mit klassischen Lichtquellen möglich schien. Noch verwunderlicher war das dieser Vorteil bestehen blieb, selbst wenn das Quantensystem großen Mengen von Verlust und Hintergrundstrahlung ausgesetzt ist.
Diese Vorhersagen wurden aber schnell relativiert, als die Beleuchtung mit einem Quantenzustand zur Beleuchtung mit einem Laser verglichen wurde [2] und nicht zu einem Einzelphotonenzustand wie es in der original Arbeit geschah.
Dennoch fand man kurz darauf ein neues Protokoll [3], welches Beleuchtung mit jeder klassischen Lichtquelle übertrifft.
Seit diesen theoretischen Vorhersagen ist das Feld der Quantenillumination schnell gewachsen und eine Vielzahl an Experimenten zur Quantenillumination wurden seither durchgeführt.
Ziel dieser Arbeit ist es die theoretischen Grundlagen der Quantenillumination zu verstehen und zusammenzufassen und aufzuzeigen wie diese in verschiedenen Experimenten implementiert wurden.

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