Die moderne Fähigkeit, korrelierte Quantenzustände unter Verwendung von Quantenfeldern und optischen Elementen zu konstruieren, zu kontrollieren und zu messen, ist die Grundlage für unser Interesse, zu erforschen, wie Quanteninformations-, Kommunikations- und Rechenprotokolle implementiert und grundlegende Aspekte der Quantenmechanik im quantenoptischen Umfeld untersucht werden können. Wir sind daran interessiert, quantenkorrelierte Felder und die Quantentheorie der Messungen zu verstehen, um das grundlegende Verhalten der Natur sowie ihre Anwendungen für Quantentechnologien zu verstehen, was wiederum neuartige Anwendungen verspricht, die mit klassischen Ressourcen nicht möglich sind.

Die neuesten Arbeiten unserer Gruppe in dieser Richtung beziehen sich auf die Charakterisierung unterschiedlicher Vorstellungen von Quantenkorrelationen, und beinhalten konkrete Vorschläge für experimentell zugängliche Zertifizierungskriterien. Solche Themen bringen uns in die Nähe von Fragen, die von Experimentalphysikern, Mathematikern und Informatikern untersucht werden, was zu unseren vielfältigen und fruchtbaren Kooperationen zu diesem Thema beiträgt. Solche unterschiedlichen Arten von Quanteneffekten wurden durch bestimmte Anwendungen in der Quanteninformationswissenschaft motiviert. Insbesondere haben wir streng unterschiedliche Begriffe der Verschränkung im Zusammenhang mit der ersten und zweiten Quantisierung definiert [1]. Eine Beobachtung, die nicht nur unser grundlegendes Verständnis beeinflusst, sondern auch direkte Auswirkungen auf Quantentechnologien hat, die diese verschiedenen Formen der Verschränkung in praktischen Szenarien nutzbar machen. Wir haben auch eine Methode entwickelt, um nichtklassische Merkmale über Korrelationen von Phasenraumverteilungen zu zertifizieren, indem wir die Begrifflichkeiten von Quasiwahrscheinlichkeiten und Matrizen von Korrelationsfunktionen vereinheitlichen [2]. Eine solche Methode wurde experimentell implementiert [3] und basieren auf den rekonstruierten Wigner- und Husimi-Q-Funktionen. Unsere Ungleichungsbedingungen erkennen in diesem Kontext Nichtklassizität trotz der Tatsache, dass die beteiligten Verteilungen nicht negativ sind, was insbesondere auf Szenarien mit hohen Verlusten und Fälle umfasst, in denen andere etablierte Methoden keine Nichtklassizität zeigen. Wir haben auch an der experimentellen Realisierung einer Form der Quantenkorrelation mitgearbeitet, die auch ohne Verschränkung und sogenannten Quantendiscord existiert, und wir zeigen theoretisch, wie Multimode-Verschränkung basierend auf dem erzeugten, unverschränkten Zustand aktiviert werden kann [4]. Die schnelle und zugängliche Verifikation von nichtklassischen Ressourcen ist ein unverzichtbarer Schritt hin zu einer breiten Nutzung von Quantentechnologien in Systemen mit kontinuierlichen Variablen. Wir haben auch Methoden des maschinellen Lernens zur Identifizierung der Nichtklassizität von Quantenzuständen des Lichts verwendet, indem wir experimentelle Daten verarbeitet haben, die durch sogenannte homodyne Detektion erhalten wurden [5].

Literatur:

1. Jan Sperling and Elizabeth Agudelo, Entanglement of particles versus entanglement of fields: independent quantum resources, arXiv:2204.06245 [quant-ph] (2022).
2. Martin Bohmann, Elizabeth Agudelo, Jan Sperling, Probing nonclassicality with matrices of phase-space distributions, Quantum 4, 343 (2020) [arXiv: 2003.11031].
3. Nicola Biagi, Martin Bohmann, Elizabeth Agudelo, Marco Bellini, and Alessandro Zavatta, Experimental Certification of Nonclassicality via Phase-Space Inequalities, Phys. Rev. Lett. 126, 023605 (2021) [arXiv:2010.00259].
4. S. Köhnke, Elizabeth Agudelo, M. Schünemann, O. Schlettwein, W. Vogel, J. Sperling, and B. Hage, Quantum Correlations beyond Entanglement and Discord,  Phys. Rev. Lett. 126, 170404 (2021) [arXiv:2010.03490].
5. Valentin Gebhart, Martin Bohmann, Karsten Weiher, Nicola Biagi, Alessandro Zavatta, Marco Bellini, and Elizabeth Agudelo, Identifying nonclassicality from experimental data using artificial neural networks, Phys. Rev. Research 3, 023229 (2021) [arXiv:2101.07112].