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Entanglement and Optimal Quantum Information Processing

Siomau, Michael

German Title: Verschränkung und Optimal Quanteninformationsverarbeitung

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Abstract

Heute stehen wir am Anfang einer neuen Ära der Informationsverarbeitung, in der Quantentechnologien immer bedeutsamer werden. Ungeachtet bedeutender Fortschritte bei der experimentellen Erzeugung und Manipulation sowie der theoretischen Beschreibung von einfachen Quantensystemen, in den letzten drei Jahrzehnten, gibt es noch viele ungelöste Probleme im Verständnis des Verhaltens und der Eigenschaften von komplexen Vielteilchenquantensystemen. In dieser Dissertation wird eine theoretische Untersuchung einer Reihe von Problemen im Zusammenhang mit der Verschränkung - dem nichtlokalen Merkmal von komplexen Quantensystemen - in Vielteilchenzuständen endlichdimensionaler Quantensysteme durchgeführt. Wir betrachten zusätzlich optimale Möglichkeiten zur Manipulation solcher Systeme. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt insbesondere auf optimalen Quantentransformationen die eine gewünschte Operation unabhängig von den Anfangszuständen des Systems erlauben. Der erste Teil dieser Arbeit widmet sich dabei einer detaillierten Analyse, wie sich die Verschränkung in Qubit-Systemen unter Einwirkung einer nichtunitären Dynamik (zeitlich) entwickelt. Im zweiten Teil der Arbeit konstruieren wir mehrere optimale zustandsunabhängige Transformationen, untersuchen ihre Eigenschaften und schlagen Anwendungen in der Quantenkommunikation und im Quantencomputing vor.

Translation of abstract (English)

Today we are standing on the verge of new enigmatic era of quantum technologies. In spite of the significant progress that has been achieved over the last three decades in experimental generation and manipulation as well as in theoretical description of evolution of single quantum systems, there are many open problems in understanding the behavior and properties of complex multiparticle quantum systems. In this thesis, we investigate theoretically a number of problems related to the description of entanglement - the nonlocal feature of complex quantum systems - of multiparticle states of finite-dimensional quantum systems. We also consider the optimal ways of manipulation of such systems. The focus is made, especially, on such optimal quantum transformations that provide a desired operation independently on the initial state of the given system. The first part of this thesis, in particular, is devoted to the detailed analysis of evolution of entanglement of complex quantum systems subjected to general non-unitary dynamics. In the second part of the thesis we construct several optimal state independent transformations, analyze their properties and suggest their applications in quantum communication and quantum computing.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Fritzsche, Dr. PD Stephan
Date of thesis defense: 6 July 2011
Date Deposited: 07 Jul 2011 11:03
Date: 2011
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute of Physics
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Quanteninformatik
Uncontrolled Keywords: entanglement , optimal quantum transformations
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