Neutralatom-Qubits
Neutrale Atome, die in optischen Gittern gefangen sind, stellen eine vielversprechende Plattform für Quantencomputer dar. Ihr Hauptvorteil besteht darin, dass sie bereits in den kommenden Jahren auf eine größere Anzahl von Qubits skaliert werden kann. Bei diesem Ansatz werden Qubits in einzelnen adressierbaren Atomen kodiert, die gekühlt und in einem optischen Potential gefangen sind, das durch gekreuzte Laserstrahlen erzeugt wird. Quantengatter können durch Kopplung an hochangeregte Rydberg-Zustände realisiert werden, deren starke, weitreichende Wechselwirkungen eine Verschränkung von zwei oder mehr Atomen im System ermöglichen. Die einzelnen Qubits können durch lokale Laserpulse adressiert und kohärent manipuliert werden.
Im TAQC-Konsortium treiben die Forschenden im MQV diesen relativ neuen Ansatz mit dem konkreten Ziel voran, einen Neutralatom-Quantencomputer der ersten Generation mit ultrakalten Strontiumatomen zu realisieren. Dabei untersuchen sie auch neuartige Qubit-Architekturen in neutralen Strontium- und Ytterbium-Atomen, alternative analoge Ansätze zum Quantencomputing mit gefangenen Atomen sowie die allgemeine Neutralatom-Quantentechnologie – mit dem langfristigen Ziel, Bayern zu einem führenden Hub auf diesem Gebiet zu machen. Neben dem engen Austausch mit anderen MQV-Konsortien zum "Full-Stack"-Ansatz beteiligen sich die Wissenschaftler aktiv an weiteren vom Bund und der EU geförderten Projekten im Bereich der neutralen Atome.
Relevante Projekte und Aktivitäten
FermiQP – Fermion Quantum Processor
Das Projekt FermiQP konzentriert sich auf die Entwicklung einer neuartigen Quantenprozessorarchitektur und deren Demonstration im Labor. Die neue Architektur soll Vorteile schaffen, die keine andere Plattform bieten kann, vor allem die Möglichkeit, eine Quantenmaschine in zwei grundlegend verschiedenen Betriebsmodi zu nutzen: Einem analogen Modus, in dem kurzfristig ein Quantenvorteil für spezifische Fragestellungen auf dem Gebiet der Quantenmaterialien erwartet wird, sowie einem digitalen Modus, in dem der Prozessor universell programmierbar ist. Der analoge Modus nutzt direkt die fermionische Natur des Prozessors, um Quantenmaterialien effizient zu erforschen. Der digitale Modus bietet wettbewerbsfähige Skalierbarkeit, volle Parallelisierbarkeit aller Qubit-Operationen und volle Konnektivität des Prozessors.
Das übergeordnete Ziel des Verbundprojekts ist die Entwicklung eines leistungsfähigen Demonstrators für analoge Quantensimulation und digitales Quantencomputing, der auf Deutschlands langjähriger Erfahrung in der Quantensimulation mit ultrakalten Atomen und einer einzigartigen Erweiterung auf digitales Quantencomputing basiert. Dieser Demonstrator wird über einen Online-Zugang programmierbar sein. Im analogen Modus werden ca. 1000 bis 10.000 Atome zur Verfügung stehen, während der digitale Modus ca. 200 vollständig miteinander verbundene Qubits bieten wird.
MUNIQC-Atoms – Munich Quantum Valley Quantum-Computer Demonstrators
Das Projekt MUNIQC-Atoms zielt darauf ab, einen auf neutralen Atomen basierenden Quantenprozessor mit bis zu 400 in Strontiumatomen kodierten Qubits zu realisieren. Es zielt auf den gesamten Quantencomputer-Stack ab, von der Low-Level-Atom-Hardware bis hin zu ihrer Integration in Hochleistungs-Rechenumgebungen. Während das TAQC-Konsortium auch alternative Ansätze für das Quantencomputing mit neutralen Atomen erforscht, verfolgt MUNIQC-Atoms den raschen Bau eines auf neutralen Atomen basierenden Demonstrators für das Quantencomputing mit modernsten Komponenten.
SNAQC – Scalable Neutral-Atom Quantum Computing
Das SNAQC-Projekt befasst sich mit der Quantenfehlerkorrektur in einer Plattform für das Quantencomputing mit neutralen Atomen. Die derzeitigen Hauptbeschränkungen der Plattform sind die Auslesezeiten der atomaren Zustände, die relativ langsam und in der Regel destruktiv sind. Dies stellt eine Grenze für die kontinuierliche Fehlerkorrektur während der Laufzeit des Prozessors dar. SNAQC wird eine neuartige experimentelle Plattform schaffen, die auf die Überwindung des Ausleseproblems in Neutralatom-Rydberg-Arrays zugeschnitten ist. Dazu sollen Arrays von Atomen, die in optischen Pinzetten gefangen sind, an einen optischen Resonator gekoppelt werden, um die Auslesezeiten erheblich zu verkürzen und die Ausleseeffizienz der atomaren Zustände zu erhöhen. Die Entwicklungen im Rahmen von SNAQC stellen einen wichtigen Schritt in Richtung aktiver Fehlerkorrektur in Neutralatom-Quantencomputern dar und ebnen daher den Weg für eine weitere Skalierung der Plattform.
Verweise
Trapped Atom Quantum Computer (TAQC)
Das Hauptaugenmerk des TAQC-Konsortiums (Trapped-Atom Quantum Computing [dt.: Gefangene-Atome-Quantencomputer]) liegt auf dem Bau eines gate-basierten Quantencomputers auf der Basis von neutralen Strontium-Atomen. Im Vergleich zu anderen Hardware-Plattformen für das Quantencomputing, wie supraleitende Qubits oder eingefangene Ionen, sind neutrale Atome ein relativ neuer Ansatz für das Quantencomputing mit einem geringeren technologischen Reifegrad.
Verweise
UniRand – Random Unitaries in a Rapid Optical Lattice Simulator
Im Mittelpunkt des UniRand-Projekts steht die Entwicklung einer neuen Maschine, die ein Quantengas in einem optischen Gitter zusammensetzt: Die Forschenden werden einzelne Atome auf ihren beweglichen Grundzustand abkühlen und Dutzende oder Hunderte solcher Teilchen zu einem Gittersystem aus beweglichen Fermionen zusammenfügen. Eine solche Plattform verspricht eine bessere Kontrolle über die initialisierten Quantenzustände sowie wesentlich höhere Datenraten als herkömmliche Maschinen.
Die Architektur wird den Weg zu neuen Messverfahren öffnen. Ein spannender Weg in die Zukunft sind Messungen in zufälligen Basen, da sich herausstellt, dass die Messung eines Systems in vielen verschiedenen, zufällig gewählten Basen und die Aufzeichnung von Korrelationen zwischen den Ergebnissen ein sehr effektiver Weg sein kann, um Vielteilchenzustände auf eine basisunabhängige Weise zu untersuchen. Ein wichtiges Ziel des Projekts ist die Implementierung solcher zufälliger unitärer Protokolle in optischen Gittersystemen.
Weitere interessante Themen sind das Hamilton-Lernen und die Geräteverifikation eines Quantensimulators.