Dual-Spezies-Atomarrays sind vielversprechend für die Quantenfehlerkorrektur

Eine Studie in Naturphysik hat ein Dual-Spezies-Rydberg-Array realisiert, das Rubidium- (Rb) und Cäsium- (Cs) Atome kombiniert, um Quantencomputer und ihre Anwendungen zu verbessern.

Die Verwendung neutraler Atome als Quantenbits oder Qubits ist in der Quantenwelt nicht neu. Neutrale Atome werden mithilfe optischer Pinzetten, bei denen es sich um fokussierte Laserstrahlen handelt, eingefangen, um die Atome zu manipulieren, um sie zu speichern und Berechnungen durchzuführen.

Neutrale Atome werden für analoge Quantensimulationen und digitale Quantenberechnungen verwendet. Aufgrund ihrer Skalierbarkeit (bis zu Tausenden von Qubits), ihrer langen Kohärenzzeiten (mehr als Sekunden) und der Verfügbarkeit von Quantenoperationen mit hoher Wiedergabetreue sind sie ein vielversprechender Weg für die Grundlagenforschung sowie für Quantencomputeranwendungen.

Die Verwendung einer einzelnen neutralen Atomsorte für Quantenanwendungen bringt jedoch Herausforderungen mit sich, wie etwa die Implementierung des Mid-Circuit-Readouts (Messungen, die an einer Teilmenge von Hilfs-Qubits in der Mitte eines Quantenschaltkreises durchgeführt werden) und das Übersprechen zwischen Hilfs- und Daten-Qubits , was zu Dekohärenz führt.

Das Forscherteam um Dr. Hannes Bernien von der University of Chicago hat dieses Problem umgangen, indem es zwei verschiedene Arten neutraler Atome verwendet hat.

Phys.org sprach mit Dr. Bernien und erkundigte sich nach seinem Interesse an der Erforschung dieses speziellen Forschungsgebiets. Er sagte: „Ich bin fasziniert von der Rolle von Messungen in der Quantenmechanik. Natürlich können Messungen verwendet werden, um Informationen über das Quantensystem zu sammeln, aber sie können auch zur Vorbereitung und Manipulation des Systems verwendet werden.“

Die in solchen Systemen verwendeten Atome werden Rydberg-Atome genannt und haben eine einzigartige Eigenschaft.

Rydberg-Atome

Rydberg-Atome, wie sie in der Studie verwendet werden, sind Atome, in denen Elektronen in einen hoch angeregten Zustand angeregt werden. Das bedeutet, dass sie weit vom Kern entfernt sind.

Aufgrund des großen Abstands zwischen den Elektronen und dem Kern sind diese Atome riesig. Sie weisen auch untereinander sehr große Dipol-Dipol-Wechselwirkungen auf, wobei das Elektron das negative Ende und der Kern das positive Ende darstellt.

Die hoch angeregten Zustände ermöglichen auch lange Kohärenzzeiten, eine wichtige Voraussetzung für Qubits. Darüber hinaus interagieren sie gut mit anderen Rydberg-Atomen und können mithilfe von Laserfeldern leicht manipuliert werden.

Im Rahmen der Naturphysik In ihrer Studie verwendeten die Forscher Rb- und Cs-Rydberg-Atome, um ihre Anordnung neutraler Atome zu erstellen. Die Entscheidung, zwei verschiedene Atomarten zu verwenden, ergibt sich aus den Einschränkungen, die Systeme mit nur einer Atomart aufweisen.

Ein Rydberg-Array mit zwei Arten

Um ihr Dual-Spezies-System zu erreichen, verwendeten die Forscher optische Pinzetten, um die Rb- und Cs-Atome einzeln einzufangen. Aufgrund ihres großen Frequenzabstands können die beiden Atomarten einzeln und ohne Übersprechen manipuliert werden. Dennoch können bei der Anregung bestimmter Rydberg-Zustände bestimmte Energieniveaus zwischen den Atomen in Resonanz gebracht werden.

Vereinfacht ausgedrückt wurde jede Atomart so abgestimmt, dass die Energieniveaus beider Arten ähnlich waren. Die Forscher entschieden sich dafür, weil sie eine bisher nicht beobachtete Interspezies-Resonanz zwischen Rb- und Cs-Energiezuständen entdeckten, die sogenannte Förster-Resonanz.

Mithilfe ihres Dual-Spezies-Rydberg-Arrays implementierten die Forscher unabhängige Kontrollschemata für jede Art, was eine präzisere Kontrolle ermöglichte. Sie entwickelten außerdem verschiedene Techniken, um die einzigartigen Eigenschaften des Aufbaus zu nutzen.

Förster-Resonanz, Blockadeeffekte und Verschränkung

Die Interspeziesresonanz erhöht die Interaktionsstärke und ist aus vielen Gründen nützlich. Eine stärkere Interaktion zwischen den Arten bedeutet stärkere Dipol-Dipol-Wechselwirkungen, was ihre Fähigkeit zur Interaktion und Verflechtung verbessert, was eine effiziente Übertragung von Energie (oder Informationen) zwischen den beiden Arten ermöglicht.

Ein weiterer Vorteil ist mit der Verbesserung der Quantenverschränkung verbunden, einem Eckpfeiler des Quantencomputings. Die Resonanz kann zu starken Blockadeeffekten führen, bei denen die Anregung eines Atoms die Anregung eines anderen Atoms in der Nähe oder sogar mehrerer Atome in der Nähe verhindert.

Die Förster-Resonanz führt zu einer stärkeren Blockade und damit zu einer effizienteren Quantenverschränkung zwischen Qubits.

Dr. Bernien erklärte weiter: „Mithilfe sogenannter Foerster-Resonanzen können wir ein Regime erreichen, in dem die Rb-Cs-Wechselwirkung viel stärker ist als die Rb-Rb- und Cs-Cs-Wechselwirkungen. Diese asymmetrischen Wechselwirkungen könnten sich für die Quanteninformation als sehr nützlich erweisen.“ Verarbeitung und eröffnen neue Richtungen für die Quantensimulation.

„Darüber hinaus haben wir die Wechselwirkungen dann genutzt, um ein Zwei-Qubit-Gate zwischen Rb und Cs sowie Quanten-Nichtzerstörungsmessungen durchzuführen, die diese Forschung motiviert haben.“

Mithilfe der Wechselwirkungen zwischen den Spezies konnten die Forscher einen Bell-Zustand zwischen Rb- und Cs-Qubits erzeugen. Dieser maximal verschränkte Zustand weist ein hohes Maß an Quantenkorrelation auf, die für Aufgaben der Quanteninformationsverarbeitung wie Teleportation und superdichte Codierung unerlässlich ist.

Die von Dr. Bernien erwähnten Quanten-Nichtzerstörungsmessungen sind entscheidend für die Verbesserung der Genauigkeit von Quanteninformationsprozessen, insbesondere der Quantenfehlerkorrektur, und ermöglichen wiederholte Messungen ohne Kohärenzverlust der Daten-Qubits.

Ein neues Paradigma für Quantencomputing

Obwohl das Experiment ein Erfolg bei der Demonstration eines neuen Paradigmas für Qubit-Operationen war, war es nicht ohne Herausforderungen.

Dr. Bernien sagte: „Wie bei den meisten Atom-Array-Experimenten sind die Laser das größte Problem. Für diese Rydberg-Anregungen müssen die Laser sehr schmal und präzise synchronisiert sein. Darüber hinaus liegen die Elektronenübergänge nicht bei den günstigsten Wellenlängen, also gibt es sie.“ ein Mangel an zuverlässiger Lasertechnologie.“

Trotz dieser Herausforderungen ist die Realisierung eines Dual-Spezies-Rydberg-Arrays für die Quantenfehlerkorrektur (QEC) besonders verlockend. QEC ist eine Methode zur Erkennung und Korrektur von Fehlern in Quantenberechnungen, ohne die Quanteninformation zu stören.

Mit dieser Methode lassen sich Fehler effizient aus Daten extrahieren. Dr. Bernien ging auf diese Anwendung und solche für Quantensimulationen ein.

„Ich gehe davon aus, dass mehrere Runden der Fehlerkorrektur möglich sein werden, zusammen mit Feed-Forward-Operationen, um die Fehler bei Bedarf zu beheben. Was die Quantensimulation betrifft, bin ich sehr fasziniert von den Möglichkeiten, die die neuen Interaktionsregime eröffnen. Wir arbeiten bereits zusammen, um sie zu erkunden.“ „Wir werden das Phasendiagramm in diesen Regimen untersuchen und die nicht-ergodische Dynamik in Dual-Spezies-Arrays untersuchen“, sagte er.

Das Forschungsteam freut sich auch darauf, die Anwendung solcher Systeme für die Quanten-Vielteilchenphysik, messinduzierte Phasenübergänge und messtechnisch veränderte Dynamik zu untersuchen.

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