Am 5. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart entsteht ein Quantencomputer auf Basis einzelner Rydberg-Atome. Einen wichtigen Meilenstein bildet nun die Inbetriebnahme eines hochkomplexen laseroptischen Systems, das in enger Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT Aachen entwickelt wurde. Es ermöglicht die präzise Kontrolle von bis zu 2.000 Atomen und schafft damit eine wesentliche Voraussetzung für die Skalierung der am Institut entwickelten Quantencomputerplattform.
Patente schaffen die Grundlage für den Technologietransfer
Das Forschungsteam des 5. Physikalischen Instituts entwickelt seit 2021 eine neuartige Quantencomputerarchitektur auf Basis einzelner Rydberg-Atome, die mithilfe optischer Pinzetten in frei konfigurierbaren Atomarrays angeordnet werden. Gruppenleiter Florian Meinert und sein Team haben bereits ein ganzes Set zentraler Komponenten für diese Quantencomputerplattform zum Patent angemeldet, darunter ein neuartiges schnelles ‚Feinstruktur‘-Qubit, eine vakuumtaugliche elektrische Feldkontrolle für die empfindlichen Rydberg-Zustände, und eine neue Methode zur Realisierung dynamischer Qubit-Arrrays. Diese Bausteine bilden nun die Grundlage für die weitere technologische Entwicklung der Plattform.
Präzise Kontrolle für skalierbare Quantencomputer
Quantencomputer auf Basis von Neutralatomen zählen weltweit zu den vielversprechendsten Ansätzen für leistungsfähige und skalierbare Quantencomputer (siehe auch das Whitepaper des Forschungsverbunds EuRyQa). Nachdem das Stuttgarter Team 2024 das ‚Feinstruktur‘-Qubit bereits erfolgreich im Labor realisieren konnte, geht es jetzt um die System-Skalierung. Ziel ist es, in Zukunft Quantenalgorithmen mit vielen hundert Qubits ausführen zu können. Hierfür wurde ein laseroptisches System entwickelt, welches bis zu 2.000 einzeln steuerbare Laserstrahlen erzeugt. Die Strahlen bilden optische Pinzetten, mit denen die Rydberg-Atome im Vakuum gefangen und positioniert werden können. Die Positionen der Strahlen werden dabei über 20 akusto-optische Modulatoren gesteuert und erlaubt es die Atompositionen während des Algorithmus dynamisch innerhalb weniger Mikrosekunden umzuordnen. Eine solche dynamische Qubit-Konnektivität stellt ein besonderes Merkmal der Neutralatom-Plattform dar und ermöglicht es, ganz neue quantenlogische Schaltkreise zu realisieren.
Gemeinsame Entwicklung mit Fraunhofer ILT
Das laseroptische System wurde vom Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT in Aachen speziell für die Anforderungen des Stuttgarter Quantencomputerprojekts entworfen und aufgebaut. Die Spezifikationen entstanden in enger Zusammenarbeit mit den Forschenden des 5. Physikalischen Instituts, die die physikalischen Anforderungen an die Quantenprozessorarchitektur definierten.
Das Ergebnis ist ein optisches System mit mehr als 150 Komponenten, das trotz seines hohen Integrationsgrades auf einer Fläche von rund einem Quadratmeter Platz findet. „Wir haben den fast 300 kg schweren Aufbau nun in unser Experiment integriert und erste Tests durchgeführt, ob wir die Atome mit der gewünschten Präzision kontrollieren können. Auch die Ansteuerung der Optik ist eine Herausforderung, da hierfür mehr als tausend Radiofrequenztöne zeitlich präzise kontrolliert werden müssen. Die dynamischen Verschiebe-Operationen der Qubits in unserem System ähneln denen eines Abakus“ erklärt Florian Meinert.
Ein weiterer Schritt auf dem Weg zum Quantencomputer
Mit der erfolgreichen Integration des laseroptischen Systems rückt das Ziel näher, einen skalierbaren Quantencomputer auf Basis von Rydberg-Atomen am 5. Physikalischen Institut zu realisieren. Das Team möchte ihren ‚Quanten-Abakus‘ perspektivisch für die Erforschung fehlertoleranter Quantenarchitekturen mit mehreren hundert bis tausend Qubits einsetzen.
Neutralatome als Basis für künftige Quantencomputer
Neutrale Atome – bei uns ist es Strontium - werden mit Laserstrahlen eingefangen, festgehalten und gezielt in einen hoch angeregten Zustand – den sogenannten Rydberg-Zustand – versetzt. Ihre Elektronenhülle dehnt sich dabei massiv aus. Die Quanteninformation (0, 1 oder beide Zustände gleichzeitig) ist in den Energiezuständen der neutralen Atome gespeichert, die als Qubit fungieren. Ein Logikgatter entsteht, wenn zwei Atome durch die Laser in den Rydberg-Zustand versetzt werden und miteinander wechselwirken. Diese Wechselwirkung ist so stark, dass sie verhindert, dass benachbarte Atome gleichzeitig angeregt werden (Rydberg-Blockade). Mit diesen so verbundenen Rydberg-Atomen oder Qubits lässt sich ein Logikgatter bilden, mit dem Rechenoperationen durchgeführt werden können. Die so erzeugten Quantenzustände sind sehr stabil, da die Atome in der Ultrahochvakuumkammer praktisch von der Umgebung isoliert sind.
Teil der Quanteninitiative des BMFTR, QuantumBW und des CZS Center QPhoton
Das Rydberg-Quantencomputerprojekt (QRydDemo) wird im Rahmen des Forschungsprogramms ‚Quantensysteme‘ vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) gefördert, ist Teil der baden-württembergischen Quanteninitiative QuantumBW und ist in das Carl-Zeiss-Stiftung Center für Quantenphotonik (CZS Center QPhoton) eingebunden. Gemeinsam mit zahlreichen Partnern aus Wissenschaft und Industrie arbeitet das 5. Physikalische Institut daran, Grundlagenforschung in marktfähige Quantentechnologien zu überführen und den Aufbau eines leistungsfähigen Quantenökosystems in Baden-Württemberg voranzutreiben.