Netzwerkbildung und interdisziplinärer Wissenstransfer
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© Maximilian Ammenwerth

Reali­sie­rung eines Quanten­pro­zes­sors auf der Basis von Strontium-Rydberg-Atomen

Maximi­lian Ammen­werth – Hector Fellow Immanuel Bloch

In diesem Projekt wird ein innova­ti­ves Quanten­gas-Mikro­skop entwi­ckelt, welches mit Hilfe von optischen Pinzet­ten neutrale Stron­tium Atome zu konfi­gu­rier­ba­ren und defekt-freien Anord­nun­gen sortiert. Dies erlaubt eine schnelle Initia­li­sie­rung und dient als Ausgangs­punkt für die analoge Simula­tion von Quanten-Vielteil­chen­sys­te­men und als Qubit-Regis­ter für digita­les Quanten­com­pu­ting. Durch Ausnut­zung von Rydberg-Wechsel­wir­kun­gen können Spin-Modelle simuliert und Quanten­gat­ter imple­men­tiert werden.

Mit Quanten­gas-Mikro­sko­pen lassen sich die Gesetz­mä­ßig­kei­ten von Quanten-Vielteil­chen­sys­te­men näher unter­su­chen. In diesem Projekt wird ein innova­ti­ves Quanten­gas-Mikro­skop entwi­ckelt mit dem Fokus auf schnel­len Wieder­ho­lungs­ra­ten im Messbe­trieb und Anwen­dun­gen im Bereich der analo­gen Quanten­si­mu­la­tion sowie darüber hinaus des digita­len Quantencomputings.

Mit Hilfe von optischen Pinzet­ten werden neutrale Stron­tium Atome zu konfi­gu­rier­ba­ren und defekt-freien Anord­nun­gen inner­halb eines optischen Gitters sortiert. Die Kombi­na­tion von aktiver Umsor­tie­rung mit anschlie­ßen­der Laser­küh­lung in den Bewegungs­grund­zu­stand ermög­licht eine beson­ders schnelle Initia­li­sie­rung des Systems. Dies dient als Ausgangs­punkt für die anschlie­ßende analoge Quanten­si­mu­la­tion von Vielteil­chen­sys­te­men sowie als Qubit-Regis­ter für digita­les Quantencomputing.

Die Kopplung der gefan­ge­nen Atome an Rydberg-Zustände bietet die Möglich­keit einer langreich­wei­ti­gen Wechsel­wir­kung mit varia­bler Stärke und erlaubt somit unter anderem die analoge Simula­tion von Spin-Model­len. Die direkte Adres­sie­rung einzel­ner Atome durch ein hochauf­lö­sen­des Mikro­skop ist die Grund­lage für die Imple­men­tie­rung von sequen­zi­ell ausge­führ­ten Gatter­ope­ra­tio­nen angewen­det auf einzelne Qubits. Die selek­tive Anregung einiger Qubits zu Rydberg-Zustän­den ermög­licht hierbei die Imple­men­tie­rung von Logik­gat­tern. Dies eröff­net die Möglich­keit neutrale Atome als Platt­form für Quanten­com­pu­ter näher zu untersuchen.

Realisierung eines Quantenprozessors auf der Basis von Strontium-Rydberg-Atomen

Neutrale Stron­tium Atome (grün) werden mit Hilfe von optischen Pinzet­ten auf den gewünsch­ten Gitter­plät­zen angeord­net. Durch selek­tive Anregung zu Rydberg-Zustän­den mit langreich­wei­ti­ger Wechsel­wir­kung (hellblau) können Quanten­gat­ter imple­men­tiert werden und somit beispiels­weise korre­lierte Quanten­zu­stände (dunkel­blau) erzeugt werden.

Maximi­lian Ammenwerth

Max Planck Insti­tute of Quantum Optics
   

Betreut durch

Prof. Dr.

Immanuel Bloch

Physik

Hector Fellow seit 2012