Quantum optical and quantum information processing networks and their nonclassical properties  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
83858
Type K
Principal investigator Kiss, Tamás
Title in Hungarian Kvantumoptikai és kvantuminformatika hálózatok nemklasszikus tulajdonságai
Title in English Quantum optical and quantum information processing networks and their nonclassical properties
Keywords in Hungarian kvantumoptika, kvantuminformatika, hálózatok, kvantumos bolyongás
Keywords in English quantum optics, quantum information processing, networks, quantum walks
Discipline
Physics (Council of Physical Sciences)100 %
Ortelius classification: Quantum mechanics
Panel Physics 1
Department or equivalent Quantum Optics and Quantum Informatics Department (Wigner Research Centre for Physics)
Participants Ádám, Péter
Darázs, Zoltán
Frigyik, Béla András
Gábris, Aurél
Janszky, József
Kálmán, Orsolya
Kecskés, László
Kis, Zsolt
Kollár, Bálint
Koniorczyk, Mátyás
Sinkovicz, Péter
Szabó, Levente
Tóth, Géza
Varga, Árpád
Starting date 2011-02-01
Closing date 2015-12-31
Funding (in million HUF) 15.798
FTE (full time equivalent) 25.05
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás célja kvantumos hálózatok jobb megértése, kvantuminformatikai felhasználásuk, valamint kísérleti megvalósíthatóságuk vizsgálata tágabb értelemben vett kvantumoptikai rendszerekben. A klasszikustól eltérő tulajdonságok, például az összefonódottság, vezethetnek a kvantuminformatikai alkalmazásokban a hatékonyság növekedéséhez.

A kvantumos bolyongás viselkedését elemezzük. A nemrég általunk a kvantumos esetre is definiált Pólya-féle szám a klasszikustól jelentősen eltérő tulajdonságokat mutat. Elemezzük a kvantumos Pólya szám definícióját speciális esetekre, tulajdonságait, dimenziótól való függését. A kvantumos bolyongás általánosítását vizsgáljuk nagy lépésközök (Lévy eloszlás) megjelenése és random hálózatok esetén. A kvantumos bolyongás egyik legígéretesebb felhasználása egy hatékony keresési algoritmus. A hatékonyságot optimalizáljuk a keresési tér megfelelő módosításával, illetve többelemű keresés esetén. A kvantumoptikai hálózatok felhasználását tekintjük nemklasszikus állapotok preparálására.

Az összefonódottság viselkedését elemezzük egy általunk adott kritérium alapján többrészű rendszerekben. Megfontolásaink várhatóan alkalmazhatóak olyan esetekben, amikor csak kollektív mérés végezhető feles spinű részecskéken, például optikai rácsban csapdázott atomok esetén. Feltérképezzük az általunk talált komplex káosz tulajdonságait qubitek iteratív, feltételes dinamikájában.

A kísérleti megvalósíthatóság érdekében koherens kontrollt használó elrendezéseket elemzünk, többnívós atomokban. Kvantum-gyűrűkben vizsgáljuk a véletlen bolyongás megvalósíthatóságát. Az általunk kidolgozott sztochasztikus eljárást adaptáljuk a kísérletek modelljeire.
Summary
In the present research we aim at a better understanding of quantum networks, their utilization in quantum information processing, and their realization in quantum optical and related systems. Non-classical properties, such as quantum entanglement, can lead in quantum informatics applications to the increase of efficiency.

We analyze the behaviour of quantum walks. The Pólya number, defined by us for the quantum case, exhibits specifically nonclassical features. We discuss the definition of the quantum Pólya number for special cases, its properties, its dependence on the dimension of the space. We investigate the generalization of the Pólya number for Lévy flights i.e. quantum walks with large step size and for randomized networks. The most promising application of a quantum walk is an efficient search algorithm. We intend to further optimize its efficiency by a modification of the search space as well as for multitarget searches. We plan to employ quantum optical networks for the preparation of non-classical states.

We analyze the behaviour of entanglement according to a criterion found by us in multipartite systems. Our findings will probably be useful in cases when there is a possibility only to measure collectively on spin half particles, such as atoms trapped in an optical lattice. We look into the properties of complex chaos, found by us in the iterative, conditional dynamics of qubits.




 

Final report

  
Results in Hungarian
Kutatásunkban kvantumos hálózatok viselkedését tanulmányoztuk elméleti módszerekkel, együttműködve kísérleti csoportokkal. A kvantumos bolyongások alkalmasak lehetnek gyorsabb keresésre. Általános módszert adtunk a bolyongások aszimptotikus viselkedésének meghatározására perkolációs gráfokon, amikor összeköttetések véletlenszerűen hiányoznak. A diszkrét- és a folytonos-idejű esetet is vizsgáltuk. Elemeztük a bolyongások transzport tulajdonságait fraktál gráfokon. Egy optikai visszacsatoláson alapuló kvantumos bolyongás megvalósítása szabályozható kvantumérmével, melynek segítségével a kvantumos bolyongó dinamikája helytől, illetve időtől függően változtatható. Különböző hely-, illetve időfüggéseket programozva a szabályozást megvalósító elektro-optikai-modulátorba, egyaránt megfigyeltünk dekoherencia-, valamint dinamikai lokalizációs jelenségeket. Qubitek dinamikája érzékeny lehet a kezdeti feltételekre, ha méréseket és szelekciót is alkalmazunk, ellentétben zárt kvantumrendszerekkel. Az érzékenység ára azonban a sokaság méretének csökkenése, erre kvantitatív összefüggést adtunk és beláttuk, hogy az általunk javasolt eljárás optimális. Jellegzetes nemklasszikus tulajdonság a kvantummechanikai összefonódottság, ennek detektálására többféle eljárást adtunk. Felfedeztük, hogy az összefonódottság kaotikusan fejlődhet, a kezdőállapotok terében az aszimptotikusan összefonódott illetve szeparábilis állapotok fraktál struktúrát alkotnak.
Results in English
In our research we have studied the behavior of quantum networks with theoretical methods, in collaboration with experimental groups. Quantum walks provide a tool to realize search algorithms faster than any classical one. We gave a general method to determine the asymptotic evolution of walks on percolation graphs, when connections are randomly missing. We studied both the discrete and the continuous time cases. We analyzed the transport properties of walks on fractal graphs. We can control the dynamics of a quantum walk, realized by an optical feedback loop, by changing the coin operator spatially or temporarily. By programming a variety of space- and time-dependences into the electro-optical modulator one can observe both decoherence and dynamical localization. The dynamics of qubits can be sensitive to the initial conditions if we apply measurement and selection, in contrast to closed quantum systems. The cost of sensitivity is the decrease of the size of the ensemble: we found their quantitative relation and proved that our proposed scheme is optimal. A characteristic non-classical property is the quantum mechanical entanglement, we gave various procedures to detect it. We have discovered that the entanglement can evolve chaotically. The asymptotically entangled and separable states form a fractal set in the space of the initial states.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=83858
Decision
Yes





 

List of publications

  
András Gilyén, Tamás Kiss, Igor Jex: Exponential Sensitivity and its Cost in Quantum Physics, Scientific Reports 6, 20076, 2016
Molnár E, Varga A, Mogyorosi G, Adam P: Quantum state engineering with linear optical tools, Kvantumelektronika 2014: VII. Szimpózium a hazai kvantumelektronikai kutatások eredményeiről. P14., 2014
Szarvas T, Kis Zs: Hullámterjedés modellezése periodikusan strukturált felületű dielektrikumokban, Kvantumelektronika 2014: VII. Szimpózium a hazai kvantumelektronikai kutatások eredményeiről. P02., 2014
G. Tóth and I. Apellaniz: Quantum metrology from a quantum information science perspective, J. Phys. A: Math. Theor. 47, 424006, 2014
N. Behbood, F. Martin Ciurana, G. Colangelo, M. Napolitano, G. Tóth, R.J. Sewell, M.W. Mitchell: Generation of macroscopic singlet states in a cold atomic ensemble, Phys. Rev. Lett. 113, 093601, 2014
C. Schwemmer, G. Tóth, A. Niggebaum, T. Moroder, D. Gross, O. Gühne, and H. Weinfurter: Experimental Comparison of Efficient Tomography Schemes for a Six-Qubit State, Phys. Rev. Lett. 113, 040503, 2014
B. Lücke, J. Peise, G. Vitagliano, J. Arlt, L. Santos, G. Tóth, and C. Klempt: Detecting multiparticle entanglement of Dicke states, Phys. Rev. Lett. 112, 155304, 2014
Schreiber A, Gábris A, Rohde PP, Laiho K, Štefaňak M, Potoček V, Hamilton C, Jex I, Silberhorn C: Simulations of two-particle interactions with 2D quantum walks in time, AIP CONFERENCE PROCEEDINGS 1633: pp. 204-209., 2014
Eltschka, Christopher and Tóth, Géza and Siewert, Jens: Partial transposition as a direct link between concurrence and negativity, Physical Review A, 91, 032327, 2015
Tóth, Géza and Moroder, Tobias and Gühne, Otfried: Evaluating convex roof entanglement measures, Physical review letters 114, 160501, 2015
Iagoba Apellaniz and Bernd Lücke and Jan Peise and Carsten Klempt and Géza Tóth: Detecting metrologically useful entanglement in the vicinity of Dicke states, New Journal of Physics, 17, 083027, 2015
C. Budroni, G. Vitagliano, G. Colangelo, R. J. Sewell, O. Gühne, G. Tóth, and M. W. Mitchell: Quantum Nondemolition Measurement Enables Macroscopic Leggett-Garg Tests, Phys. Rev. Lett. 115, 200403, 2015
P. Sinkovicz, Z. Kurucz, T. Kiss, and J. K. Asbóth: Quantized recurrence time in unital iterated open quantum dynamics, Phys. Rev. A 91, 042108, 2015
Stefanak M, Barnett SM, Kollar B, Kiss T, Jex I: Directional correlations in quantum walks with two particles., NEW JOURNAL OF PHYSICS 13: Paper 033029, 2011
Lavicka H, Potocek V, Kiss T, Lutz E, Jex I: Quantum walk with jumps., EUROPEAN PHYSICAL JOURNAL D 64:(1) pp. 119-129. (2011), 2011
Kiss T, Vymětal S, Tóth L D, Gábris A, Jex I, Alber G: Measurement-Induced Chaos with Entangled States, PHYSICAL REVIEW LETTERS 107:(10) Paper 100501. p. 4 (2011), 2011
Kálmán O, Kiss T, Fortágh J, Domokos P: Quantum Galvanometer by Interfacing a Vibrating Nanowire and Cold Atoms., NANO LETTERS 12, 435-439, 2012
Brougham T, Kost ak V, Jex I, Andersson E, Kiss T: Entanglement preparation using symmetric multiports, EUROPEAN PHYSICAL JOURNAL D 61:(1) pp. 231-236. (2011), 2011
Adam P, Darazs Z, Kiss T, Mechler M: Double self-Kerr scheme for optical Schrodinger-cat state preparation., PHYSICA SCRIPTA T143: Paper 014002. (2011), 2011
Schreiber A, Cassemiro K. N. , Potoček V, Gábris A, Jex I and Silberhorn Ch: Decoherence and disorder in quantum walks: From ballistic spread to localization, Phys. Rev. Lett. 106, 180403 (2011), 2011
Koniorczyk M, Szabó L, Adam P: Hardy’s paradox and the entanglementlike structure of forward-scattered waves, Phys. Rev. A 84, 044102 (2011), 2011
Vitagliano G, Hyllus P, Egusquiza I L, Tóth G: Spin Squeezing Inequalities for Arbitrary Spin, Phys. Rev. Lett. 107, 240502 (2011), 2011
Tóth G: Multipartite entanglement and high precision metrology, Phys. Rev. A, 85, 022322, 2012
A. Schreiber, A. Gábris, P. P. Rohde, K. Laiho, M. Štefaňák, V. Potoček, C. Hamilton, I. Jex, and Ch. Silberhorn: A 2D Quantum Walk Simulation of Two-Particle Dynamics, Science 336, 55, 2012
B. Kollar, T. Kiss, J. Novotny, I. Jex.: Asymptotic Dynamics of Coined Quantum Walks on Percolation Graphs, Phys. Rev. Lett. 108, 230505, 2012
G. Nyitray and Z. Kis: Self-confining waves, J. Mod. Optics v59, 1558-1568, 2012
Ádám P, Szabó L, Mechler M, Koniorczyk M: Forward-scattered wave analysis of an optical Hardy-like setup, Phys Scr; T147, 014001/1-4, 2012
Hyllus P, Pezzé L, Smerzi A, Tóth G: Entanglement and extreme spin squeezing for a fluctuating number of indistinguishable particles, Phys Rev A; 86, 012337/1-11, 2012
Moroder T, Hyllus P, Tóth G, Schwemmer C, Niggebaum A, Gaile S., Gühne O, Weinfurter H: Permutationally invariant state reconstruction, New J Phys; 14, 105001/1-25, 2012
Zsolt Kis, Gabor Demeter, and Jozsef Janszky: Pulse propagation in a dressed, degenerate system, J. Opt. Soc. Am. B / Vol. 30, No. 4, 829, 2013
Zoltán Darázs, Tamás Kiss: Time evolution of continuous-time quantum walks on dynamical percolation graphs, J. Phys. A: Math. Theor. 46 375305, 2013
Kruse R, Katzschmann F, Christ A, Schreiber A, Wilhelm S, Laiho K, Gábris A, Hamilton CS, Jex I, Silberhorn C: Spatio-spectral characteristics of parametric down-conversion in waveguide arrays, NEW JOURNAL OF PHYSICS 15: Paper 083046, 2013
Urizar-Lanz I, Hyllus P, Egusquiza IL, Mitchell MW, Tóth G: Macroscopic singlet states for gradient magnetometry, PHYSICAL REVIEW A 88:(1) Paper 013626. 13 p., 2013
Tóth G, Petz D: Extremal properties of the variance and the quantum Fisher information, PHYSICAL REVIEW A 87:(3) Paper 032324. 11 p., 2013
Bálint Kollár, Jaroslav Novotny, Tamás Kiss, Igor Jex: Percolation induced effects in two-dimensional coined quantum walks: analytic asymptotic solutions, New Journal of Physics 16, 023002, 2014
B. Kollár, M. Koniorczyk: Entropy rate of message sources driven by quantum walks, Phys. Rev. A 89, 022338, 2014
Giuseppe Vitagliano, Iagoba Apellaniz, Iñigo L. Egusquiza, and Géza Tóth: Spin squeezing and entanglement for an arbitrary spin, Phys. Rev. A 89, 032307, 2014
Z. Darázs, Z. Kurucz, O. Kálmán, T. Kiss, J. Fortágh, and P. Domokos: Parametric Amplification of the Mechanical Vibrations of a Suspended Nanowire by Magnetic Coupling to a Bose-Einstein Condensate, Phys. Rev. Lett. 112, 133603, 2014
Adam P, Andreev VA, Janszky J, Man'Ko MA, Man'Ko VI: Tensor-product representation of qubits and tensor realization of one-qubit operators, PHYSICA SCRIPTA: AN INTERNATIONAL JOURNAL FOR EXPERIMENTAL AND THEORETICAL PHYSICS 87:(T153) Paper 014001. 3 p., 2013
Adam P, Andreev VA, Ghiu I, Isar A, Man'ko MA, Man'ko VI: Wigner Functions and Spin Tomograms for Qubit States, JOURNAL OF RUSSIAN LASER RESEARCH 35:(1) pp. 3-13., 2014
Szalay V, Ádám P.: Variational properties of the discrete variable representation: discrete variable representation via effective operators., J Chem Phys. 2012 Aug 14;137(6):064118., 2012
Kollár B, Kiss T, Jex I: Strongly trapped two-dimensional quantum walks, PHYS REV A 91: (2) , 2015
Kollar B, Novotny J, Kiss T, Jex I: Discrete time quantum walks on percolation graphs, EUR PHYS J PLUS 129: (5) , 2014
Darázs Z, Anishchenko A, Kiss T, Blumen A, Mülken O: Transport properties of continuous-time quantum walks on Sierpinski fractals, PHYS REV E STAT NONLIN 90: (3) , 2014
Adam P, Andreev VA, Janszky J, Man'ko MA, Man'ko VI: Preparation of tensor-product representation of qubits, PHYSICA SCRIPTA: AN INTERNATIONAL JOURNAL FOR EXPERIMENTAL AND THEORETICAL PHYSICS T160: 014001, 2014
Adam P, Mechler M, Szalay V, Koniorczyk M: Intelligent states for a number-operator–annihilation-operator uncertainty relation, PHYSICAL REVIEW A 89:(6) 062108, 2014
Adam P, Mechler M , Santa I, Koniorczyk M: Optimization of periodic single-photon sources, PHYSICAL REVIEW A 90:(5) 053834, 2014
Adam P, Andreev VA, Ghiu I, Isar A, Man'ko MA, Man'ko VI: Finite Phase Space, Wigner Functions, and Tomography for Two-Qubit States, JOURNAL OF RUSSIAN LASER RESEARCH 35:(5) pp. 427-436., 2014
Adam P, Mechler M, Szalay V, Molnar E, Koniorczyk M: Intelligent states for number operator-annihilation operator uncertainty relation, Kvantumelektronika 2014: VII. Szimpózium a hazai kvantumelektronikai kutatások eredményeiről. P63., 2014




 

Events of the project

  
2016-12-07 13:44:12
Résztvevők változása
2013-05-13 19:10:01
Résztvevők változása
2012-07-30 10:05:45
Résztvevők változása



Back »