In den vergangenen Jahren hat das relative neue Feld
der Quanteninformationsverarbeitung (QIP) das Interesse vieler
Wissenschafter geweckt, da es schnellere Rechenleistung von
Computern, absolute sichere Kommunikation sowie ein Potential zum
Simulieren von komplexen quantenmechanischen Systemen verspricht.
Die Essenz dieser neuen Quanteninformationstechnologie sind zwei
Grundkonzepte der Quantenmechanik, nämlich die der Superposition und
der Verschränkung. Diese Dissertation enthält die Resultate von vier
verschiedenen Experimenten die alle die Demonstration eines neuen
Quantencomputer-Models mit linearer Optik, des sogenannten
"Einweg-Quantencomputers", zum Ziel hatten. Zu diesem Zweck wurde
ein multiphotonen-verschränkter Zustand mit Hilfe des Prozesses der
spontanen parametrischen Down-Konversion in einem
interferometrischen Setup erzeugt. Dieser verschränkte Zustand
agiert als eine Art Ressource, die für Demonstrationen von neuen
Quantenalgorithmen und anderen relevanten experimentellen Techniken
genutzt wurde. In dieser Dissertation wird über neue Fortschritte in
der Theorie und im Experiment berichtet, unter anderem wurde zum
ersten Mal eine schnelle, aktive Vorwärtskopplung implementiert, die
eine Realisation eines deterministischen Quantencomputer mit einer
noch nicht dagewesenen Geschwindigkeit erlaubt. Weiters wurde der
sogenannte Deutsch-Algorithmus mit unserem Quantencomputer
implementiert. Der Quantenalgorithmus erlaubt es mit nur einer
Evaluation zu erkennen, ob eine mathematische Funktion konstant oder
balanciert ist, während ein klassischer Algorithmus mindestens
2N−1+1 Evaluationen benötigt. In einem anderen Experiment wurde
ein Quantenspiel, das sogenannte Gefangenen-Dilemma, realisiert. Ein
solches Spiel ist im Prinzip die Ausführung eines Quantenalgorithmus
der aus einer bestimmten Folge aus Ein- und Zwei-qubit
Quantengattern aufgebaut ist. Dieses Spiel erlaubt den individuellen
Spielern ihren Strategieraum zu vergrößern, da sie auch
Superpositionen von klassischen Strategien wählen und diese
miteinander verschränken können. Die Erfolgsfunktion des Spieles
wurde für verschiedene Strategiesets evaluiert und es konnte
experimentell gezeigt werden, dass das sogenannte "Dilemma", welches
in der klassischen Version des Spieles auftritt, in der Quantenwelt
beseitigt werden kann. Unglücklicherweise ist Dekohärenz, der
ungewollte Verlust von in Quantensystemen kodierter Information
durch unkontrollierte Wechselwirkung mit der Umgebung, eines der
Haupthindernisse für die Realisierung eines Quantencomputers im
großen Rahmen. Ein möglicher Lösungsansatz ist die Rechnung in einem
sogenannten dekohärenzfreien Unterraum (DFS) durchzuführen. Auf
früheren Arbeiten aufbauend gelang es diese theoretischen Konzepte
auf unser Einweg-Quantencomputermodel zu übertragen und zum ersten
Mal die dekohärenzfreie Durchführung einer Rechnung zu zeigen,
während die Photonen starkem Phasenrauschen ausgesetzt waren.
Beachtenswerter Schutz der Information konnte erreich werden, der
annähernd die idealen Ergebnisse lieferte. Obwohl die Experimente in
dieser Dissertation nur einen "proof-of-principle" Charakter
aufweisen haben sie trotzdem große Bedeutung für das Feld der QIP
und werden hoffentlich den Weg für weitere und aufregende
Erfindungen und experimentellen Demonstrationen in der Zukunft
ebnen.In recent years, the relatively new field of quantum
information processing (QIP) has attracted the attention of many
scientists around the world due to its promise of increased
computational speed, absolute secure communication and the potential
to simulate complex quantum mechanical systems. The very essence of
this new quantum information technology are two concepts at the very
heart of quantum mechanics, namely superposition and entanglement.
The present Thesis contains the results of four different
experiments that were all aimed at the demonstration of an entirely
new model for quantum computing with linear optics --- the ”one-way”
quantum computer. For this purpose a multi-photon entangled state of
four photons has been generated via the process of spontaneous
parametric down-conversion and by using an interferometric setup.
This entangled state acts as a resource that allowed for novel
demonstrations of quantum algorithms and relevant experimental
techniques.
By exploiting the advances developed in both theory and experiment,
in this Thesis we report the implementation of fast, active
feed-forward that allowed, for the first time, the realization of
deterministic linear-optics quantum computing at an unprecedented
speed. Further we were able to demonstrate the Deutsch algorithm on
our one-way quantum computer, an important quantum algorithm that is
capable of distinguishing whether a function is constant or
balanced. Classically one needs to query the algorithm at least
2N−1+1 times for an N-bit binary input string, however, in the
quantum regime, this can be done with one evaluation of the
algorithm, independent of the size of the input. In another
experiment we succeeded in playing an instance of a quantum game ---
the so-called Prisoner's dilemma --- on our one-way quantum
computer. Playing such a game is essentially the execution of a
quantum algorithm made up of a distinct set of one- and two-qubit
gates. This allows the individual players to increase their strategy
space, as they can also choose between superposition of classical
input states while their choices get entangled. Evaluating the
payoff function of this game for different strategy sets, we were
able to experimentally show that the so-called "dilemma", that
occurs in the classical version of this game, can be resolved in the
quantum domain. Unfortunately, one of the main obstacles on the road
towards the realization of large-scale quantum computers is
decoherence, the ubiquitous loss of information encoded in a quantum
system due to its uncontrollable interaction with an environment.
One possible approach to overcome this challenge is to perform the
computation in a so-called decoherence-free subspace (DFS). Building
up on previous work on concepts of DFS we have been able to
theoretically adapt these concepts to the model of one-way quantum
computing. This allowed us to demonstrate for the first time the
decoherence-free execution of a one-way quantum computing protocol
while the photons were exposed to severe phase-damping noise.
Remarkable protection of information was accomplished, delivering
nearly ideal outcomes.
Although the experiments presented in this Thesis are
proof-of-principle they are of great significance in the field of
QIP and will hopefully pave the way for ever more exciting
inventions and experimental demonstrations in the future
