Entwicklung robuster Quantengatter auf infrarot-aktiven Qubits in MnBr(CO)5

Die vorliegende Arbeit behandelt die experimentell umsetzbare
Implementierung von Molekularem Quantencomputing, wie es in der
Arbeitsgruppe um R. de Vivie-Riedle entwickelt wurde. Dieses
Konzept beruht auf Laser-vermittelter Kontrolle intramolekularer
Schwingungsdynamik. So fungieren ausgewählte Normalmoden eines
polyatomaren Moleküls als Quanteninformationseinheiten (Qubits),
wobei die Information in den Schwingungseigenzuständen kodiert
wird. Diese lässt sich durch kurze geformte infrarote Lichtpulse,
die als logische Gatter operieren, kontrolliert manipulieren. Für
die Prozessoreinheit wird Mangan-pentacarbonyl-bromid (MnBr(CO)5)
gewählt und ein Zwei-Qubit-System mit den beiden stärksten
IR-aktiven CO-Streckschwingungen (2000 cm^{-1} bzw. 2050 cm^{-1})
definiert. In den quantenmechanischen Untersuchungen wird das
System durch seine Schwingungseigenfunktionen repräsentiert. Das
zugrunde liegende Modell ergibt sich durch sorgfältige Anpassung an
neueste spektroskopische Daten des MnBr(CO)5. Ein dafür im Rahmen
dieser Arbeit entwickeltes komplexes Optimierungsverfahren
ermöglicht die effiziente Konstruktion des Modells. Einen
Schwerpunkt bildet die Berechnung und Untersuchung eines
universellen Satzes globaler Quantengatter bestehend aus den
Operationen NOT, CNOT, Π und Hadamard. Diese werden mit einem
"multi-target-Optimal-Control"-Algorithmus optimiert, der die
simultane Optimierung der relevanten Übergänge des jeweiligen
Gatters unter Berücksichtigung aller berechneten Eigenfunktionen
erlaubt. Schalteffizienz und Struktur des resultierenden Laserfelds
hängen dabei maßgeblich von der gewählten Pulsdauer ab. Durch die
individuelle Wahl einer günstigen Dauer (5 ps - 11 ps), die sich
nach den spektroskopischen Anforderungen der logischen Operationen
richtet, ergeben sich erstmals für alle Gatter hocheffiziente und
einfach strukturierte Pulse. Besondere Beachtung findet in dieser
Arbeit die Gewährleistung experimenteller Umsetzbarkeit des
Molekularen Quantencomputings. Untersuchungen zur Erzeugung der
optimierten Pulse sind dabei von primärer Bedeutung. Pulszerlegung
und die Berechnung von Maskenfunktionen zeigen, dass sich sowohl
indirektes als auch direktes Pulsformen für die Generierung der
Laserfelder eignen. Gegen dabei entstehende Abweichungen von der
optimalen Pulsstruktur sind die Gatter robust. Um die
Laser-Molekül-Wechselwirkung im Experiment zusätzlich zu steigern,
können die Prozessoreinheiten fixiert und ausgerichtet werden. Dies
lässt sich durch Immobilisierung in der Kristallstruktur eines
Zeoliths erreichen, wie erste Rechnungen ergeben. Darüber hinaus
wird die Relevanz potentieller Störungen des Qubitsystems wie
Dissipation und interner Schwingungsumverteilung überprüft. Die
Ergebnisse zeigen, dass das Qubitsystem einen nahezu
dekohärenzfreien Raum für die Informationsverarbeitung bietet.
Durch die sorgfältige Wahl einer geeigneten molekularen Spezies und
die auf das Qubitsystem individuell abgestimmten Pulsdauern ist es
gelungen, Molekulares Quantencomputing experimentell zugänglich mit
hocheffizienten robusten Quantengattern zu implementieren.