Neuland betreten: Quantencomputer für neutrale Atome in doppelter Ausführung
Wenchao Xu arbeitet an Anordnungen optisch gefangener neutraler Atome die zwei atomare Spezies auf eine Weise miteinander verbinden und so eine neue Plattform für Fortschritte in der Quantenwissenschaft und -technologie bietet.
Wenchao Xu, Assistenzprofessorin mit Tenure-Track-Status am Departement Physik und Mitarbeitende am Paul Scherrer Institut (PSI) ist überzeugt, dass grosse Anordnungen von neutralen Atomen eine vielversprechende Architektur für Quantencomputer und -simulationen darstellen. Ihr Projekt, das von der ETH Zürich und einem im letzten Jahr gestarteten SNF Starting Grant finanziell unterstützt wird, sieht eine Dual-Typ- und Dual-Element-Atomanordnung vor, die einzeln eingefangene Ytterbium-Atome und kleine Ensembles von Rubidium-Atomen miteinander kombiniert. Jede Art soll ein regelmässiges geometrisches Muster bilden, das dann durch die eingesetzten Laser definiert wird (siehe Abbildung).
In diesem System wären die Ytterbium-Atome Träger der Quanteninformation, während die Rubidium-Atomwolken zusätzliche Quantenoperationen mit der in den Ytterbium-Atomen gespeicherten Quanteninformation ermöglichen würden, indem sie die abstimmbaren Wechselwirkungen zwischen den beiden Spezies nutzen. Ziel dieses Aufbaus sind zwei ehrgeizige Vorhaben: Einerseits soll eine neue Methode zur Quantenfehlererkennung realisiert werden, andererseits die Demonstration von quantenoptischen Verbindungen zwischen zwei räumlich getrennten Atomanordnungen.
Im März 2024 verlegten Xu und ihr Team den Versuchsaufbau von der ETH Hönggerberg ans PSI, wo sie die Vakuumkammer bauten, in deren Ultrahochvakuum die Bedingungen herrschen, die zum Isolieren und Einfangen neutraler Atome erforderlich sind. Innerhalb der folgenden sechs Monate gelang es der Gruppe, Ensembles von Ytterbium- und Rubidium-Atomen einzufangen: Dies wurde durch eine sorgfältige Planung möglich, bei der Xu und ihre Kolleg:innen im Voraus definieren mussten, welche Teile und Geräte sie für den Aufbau benötigen würden. Von den beiden Atomarten ist Rubidium bekannt und erforscht - Ytterbium hingegen nicht. Dies lässt einige Fragen offen, z. B. wie diese Atomarten miteinander interagieren und wie die optimalen atomaren Zustände für die Quanteninformationsverarbeitung aussehen. Um diese Fragen zu klären, haben Xu und ihr Team an der Kalibrierung der Wechselwirkungen zwischen Rubidium- und Ytterbium-Atomen durch spektroskopische Messungen gearbeitet; ausserdem haben sie die Optik für die Erzeugung grösserer Anordnungen aufgebaut. Sie gehen davon aus, dass sie in den nächsten Monaten eine grosse zweidimensionale Anordnung von Atomen werden realisieren können.
Aus dem Englischen übersetzt von Kilian Kessler