Quantenregister erreicht im Dauerbetrieb 1.200 neutrale Atome

Ein Team von Physikern unter der Leitung von Johannes Zeiher, Forschungsgruppenleiter in der Abteilung Quanten-Vielteilchensysteme von Immanuel Bloch und Mitbegründer des MPQ-Spin-offs planqc, hat erhebliche Fortschritte bei der Skalierung von Quantencomputerplattformen mit neutralen Atomen erzielt.

In einem Experiment am Max-Planck-Institut für Quantenoptik gelang es den Forschern in Zusammenarbeit mit planqc, ein Register von 1.200 Atomen in einem optischen Gitter aus Laserlicht aufzubauen und eine Stunde lang im Dauerbetrieb zu halten. Bisher waren Anordnungen dieser Größe aufgrund der unvermeidbaren atomaren Verluste nur schwer aufrechtzuerhalten.

Die Physiker konnten dieses Problem lösen, indem sie eine ausgeklügelte Technik nutzten, die es ihnen ermöglicht, sukzessive neue Atome in das Qubit-Register zu laden – und es im Prinzip für unbegrenzte Zeit zu betreiben.

Heute wissen wir, wie schwierig es ist, Quantensysteme mit klassischen Computern zu berechnen. Dies liegt daran, dass quantenmechanische Systeme mit zunehmender Größe exponentiell komplexer werden. Selbst eine genaue Berechnung des Verhaltens von 100 Quantenteilchen übersteigt die Fähigkeiten der meisten modernen Supercomputer.

Gleichzeitig ist ein grundlegendes Verständnis komplexer Quantensysteme unerlässlich, um die Eigenschaften beispielsweise bestimmter Materialien oder Biomoleküle vorherzusagen. Der Physiker und Nobelpreisträger Richard Feynman schlug daher Anfang der 1980er-Jahre vor, zur Berechnung komplexer quantenmechanischer Phänomene Quantensimulatoren und -computer statt klassischer Computer zu verwenden, da diese den gleichen Gesetzen gehorchen wie die zu berechnenden Systeme und so deren Beschränkungen umgehen klassische Computer.

Während sich Quantensimulatoren vor allem für sehr spezifische, plattformspezifische Probleme, etwa in der Festkörperphysik, eignen, sind Quantencomputer universeller einsetzbar. Sie erfordern jedoch mehr Aufwand und Kontrolle.

Sie basieren auf einzelnen, miteinander verbundenen und vollständig programmierbaren Speichereinheiten, sogenannten Qubits, die mithilfe von Quantengattern zwischen ihnen definierte Algorithmen ausführen können. Diese Vielseitigkeit und das hohe Potenzial in der Rechenleistung von Quantencomputern eröffnen neue wissenschaftliche und technologische Möglichkeiten, beispielsweise beim grundlegenden Verständnis und der Entwicklung neuer Materialien oder im Bereich quantenchemischer Berechnungen molekularer Strukturen.

Eine große Hürde bei der Erforschung dieser vielversprechenden Technologie ist jedoch die Skalierung von Quantencomputern und Simulatoren auf eine große Anzahl von Qubits unter Beibehaltung der notwendigen Kontrolle über die einzelnen Bestandteile. Zur Bewältigung dieser Herausforderung konkurrieren derzeit mehrere Ansätze miteinander. Eine davon basiert auf neutralen Atomen.

Solche atomaren Quantencomputer und Quantensimulatoren sind in hohem Maße auf stabile und skalierbare Atomanordnungen angewiesen, die die für Berechnungen erforderlichen Register bilden. Die Atome werden einzeln mit optischen Pinzetten, eng fokussierten Laserstrahlen oder optischen Gittern, extrem präzisen periodischen Anordnungen, die aus interferierenden Laserstrahlen gebildet werden, eingefangen.

Jedes einzelne Atom, das in solchen Pinzetten oder Gittern gefangen ist, kann als Qubit dienen. Je größer das Register, desto mehr Atome gehen jedoch verloren oder werden erhitzt, wodurch das System im Laufe der Zeit anfälliger für schädliche Fehler wird. In heutigen Systemen muss das gesamte Atomregister regelmäßig aufgefüllt werden, was die Größe, die ein System erreichen kann, stark einschränkt.

Zeiher und seinem Team ist es nun gelungen, eine Art Nachladezone in ihren Versuchsaufbau zu integrieren, der mit dem Erdalkaliatom Strontium arbeitet. Alle 3,5 Sekunden werden dem Register etwa 130 Atome hinzugefügt.

„Diese Technik, verlorene Atome in Echtzeit zu ersetzen, ist ein wichtiger Schritt zur praktischen Nutzung von Quantentechnologien, denn nur durch einen unterbrechungsfreien und länger anhaltenden Betrieb der Systeme werden groß angelegte Quantenberechnungen, Simulationen und Messungen möglich“, sagt Zeiher, Wer leitet das Experiment?

Die nächsten Schritte in diesem Experiment bestehen darin, den elektronischen Zustand der Atome beispielsweise mit einer optischen Pinzette zu steuern, sodass jedes einzelne Atom im Register zu einem Qubit wird, das Quanteninformationen enthält. Das Hinzufügen kontrollierter Wechselwirkungen zwischen benachbarten Atomen im Array ermöglicht dann die Erzeugung einer Quantenverschränkung – die Grundlage für jede Quantenberechnung.

„Wir arbeiten bereits an Konzepten, um unsere neue Technik mit unterbrechungsfreiem Quantencomputing zu kombinieren. Die Aufrechterhaltung der Kohärenz der Qubits während des Nachladeschritts ist entscheidend, um das große Potenzial des Quantencomputings und der Quantensimulation auszuschöpfen.“

„Wir freuen uns darauf, die einzelnen Teile zu diesem Ziel zusammenzufügen“, fügt Dr. Flavien Gyger, Erstautor des Buches, hinzu Papier jetzt veröffentlicht in Forschung zur körperlichen Überprüfung.

„Um einen Quantenalgorithmus mit Auswirkungen auf die Industrie auszuführen, sprechen wir von Tausenden von Qubits und müssen sie stundenlang betriebsbereit halten, um Fehlerkorrekturprotokolle auszuführen. Unsere Ergebnisse könnten den Weg für die kontinuierliche Wartung solch großer Arrays ebnen, um in der Nähe zu erforschen. befristete Bewerbungen.“ sagt Stepan Snigirev, leitender Quanteningenieur bei planqc und Co-Autor des Artikels.