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Photonische Quantentechnologien
Photonic Quantum Technologies

Modul PH2239

Diese Modulbeschreibung enthält neben den eigentlichen Beschreibungen der Inhalte, Lernergebnisse, Lehr- und Lernmethoden und Prüfungsformen auch Verweise auf die aktuellen Lehrveranstaltungen und Termine für die Modulprüfung in den jeweiligen Abschnitten.

Modulversion vom WS 2017/8 (aktuell)

Von dieser Modulbeschreibung gibt es historische Versionen. Eine Modulbeschreibung ist immer so lange gültig, bis sie von einer neuen abgelöst wird.

verfügbare Modulversionen
WS 2017/8WS 2016/7

Basisdaten

PH2239 ist ein Semestermodul in Englisch oder Deutsch auf Master-Niveau das im Wintersemester angeboten wird.

Das Modul ist Bestandteil der folgenden Kataloge in den Studienangeboten der Physik.

  • Allgemeiner Spezialfachkatalog Physik
  • Spezifischer Spezialfachkatalog Physik der kondensierten Materie

Soweit nicht beim Export in einen fachfremden Studiengang ein anderer studentischer Arbeitsaufwand ("Workload") festgelegt wurde, ist der Umfang der folgenden Tabelle zu entnehmen.

GesamtaufwandPräsenzveranstaltungenUmfang (ECTS)
150 h 45 h 5 CP

Inhaltlich verantwortlich für das Modul PH2239 ist Michael Kaniber.

Inhalte, Lernergebnisse und Voraussetzungen

Inhalt

Grundlagen der Photonischen Quanteninformationsverarbeitung mit Schwerpunkt auf festkörperbasierten Systemen:

- Grundlegende Begriffe (Quantenbit, logische Quanten-Gatter, Bloch-Kugel)

- Optische Prozesses in 2-Niveau-Sytemen

- Nicht-klassisches Licht (einzelne Photonen)

- Quanten-Kryptographie

- Licht-Atom-Wechselwirkung

- Cavity Quantenelektrodynamik

- Einzelphotonendetektoren

Lernergebnisse

Nach erfolgereicher Prüfung sollen Teilnehmer des Kurses folgendes gerlernt haben

- Unterschiede zwischen Quanten- und klassischer Informationsverarbeitung

- Bestandteile für Quanteninformationsverarbeitung in einem Netzwerk und einem Computer

- Welche optischen Übergänge in einem 2-Niveau grundsätzlich möglich sind und wir man diese mit quantum physikalischen Methoden berechnen kann.

- Einblicke in Halbleiter-Quantenpunkte als festkörperbasiertes "künstliches Atom"

- Erzeugung einzelner Photonen mittels verschiedener Methoden und die quanten-optische Beschreibung

- Verwendung von einzelnen Photonen in der sicheren Übertragung von Information mittels Quanten-Kryptographie

- Verschieden Regime der Wechselwirkung von Licht mit Materie am einfachen Beispiel eines 2-Levelsystems

- Modifizierung der optischen Eigenschaften von Atomen durch Einbettung in einen Resonator (Qualitätsfactor, Purcell-effect, schwache und starke Wechselwirkung)

- Nachweis von einzelnen Photonen mittels supraleitender Detektoren (Prinzip, Fabrication und Betrieb)

Voraussetzungen

Keine Vorkenntnisse nötig, die über die Zulassungsvoraussetzungen zum Masterstudium hinausgehen.

Lehrveranstaltungen, Lern- und Lehrmethoden und Literaturhinweise

Lehrveranstaltungen und Termine

Lern- und Lehrmethoden

Mittels einer strukturierten Vorlesung werden Grundlagen Photonischer Quanten-Technologien dargelegt und miteinander verglichen. Die generellen, theoretischen Aspekte werden anhand von spezifischen Beispielen genauer diskutiert. Hierbei liegt der Schwerpunkt insbesondere auf Halbleiterbasierten Strukturen, wie sie am Walter Schottky Institut der TU München erforscht werden. Die Vorlesung wird durch eine Übung/Diskussionsrunde (1 SWS) ergänzt, bei der begleitenten Veröffentlichungen zusammen mit den Studenten besprochen werden. Weiterhin werden Aspekte des experimentallen Arbeiten durch Laborführungen entsprechend veranschaulicht.

Medienformen

- Powerpoint-Präsentation

- Videos

- Tafelanschrieb (Tablet) wo nötig

Literatur

Bücher: 

- Nielsen&Chuang: Quantum computation and quantum information (als Nachschlagewerk)

- Fox: Quantum optics

- Loudon: The quantum theory of light

- Davies: The physics of low-dimensional semiconductors

Auf den Folien werden zahlreiche Referenzen zu Publikationen gegeben. 

Modulprüfung

Beschreibung der Prüfungs- und Studienleistungen

Es findet eine mündliche Prüfung von etwa 30 Minuten Dauer statt. Darin wird das Erreichen der im Abschnitt Lernergebnisse dargestellten Kompetenzen mindestens in der dort angegebenen Erkenntnisstufe exemplarisch durch Verständnisfragen und Beispielrechnungen überprüft.

Prüfungsaufgabe könnte beispielsweise sein:

  • Welche Kriterien müssen für einen Quantencomputer erfüllt sein?
  • Nennen Sie verschiedene Gebiete der Quanteninformationswissenschaften.
  • Beschreiben Sie unterschiedliche Konzepte zur Erzeugung von Einzelphotonen.
  • Was ist der Grundlage für das Auftreten spontaner Emission?
  • Wie kann man photonische Komponenten für On-Chip-Quantenanwendungen realisieren?
  • Beschreiben Sie die Wechselwirkungsregime der Hohlraum-Quantenelektrodynamik.

Während der Prüfung sind keine Hilfsmittel erlaubt.

Die Teilnahme am Übungsbetrieb wird dringend empfohlen, da die Übungsaufgaben auf die in der Modulprüfung abgefragten Problemstellungen vorbereiten und somit die spezifischen Kompetenzen eingeübt werden.

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