Ultrakalte neutrale Atome trugen dazu bei, die seit langem bestehende Herausforderung beim Bau von Quantensystemen zu überwinden
Das Rennen in der Quantentechnologie ist eröffnet. Im Oktober startete die EU ihr Flaggschiff im Bereich Quantentechnologie – eine Initiative in der Höhe von 1 Milliarde Euro, mit der mehr als 5 000 Forscher in den nächsten 10 Jahren finanziert werden. Andererseits hatte sich der US-Kongress gerade mit einem eigenen Gesetz im Umfang von 1,2 Milliarden USD für Quantentechnologie eingeschaltet, als wir diese Zeilen schrieben. Zwar gibt es bereits die ersten Prototypen von Quantencomputern, aber es bleiben noch viele Hindernisse selbst in der Grundlagenforschung. Eines davon ist der Bedarf an erhöhter Präzision bei der Manipulation einzelner Qubits und Wechselwirkungen. Mit dem Projekt QuantuM-nano wurde das Ziel verfolgt, dieses Problem mit Fokussierung auf ultrakalte neutrale Atome zu lösen – und sich dadurch selbst vom gängigsten Ansatz im Bereich Quantencomputer unter Verwendung von superleitenden Schaltkreisen zu entfernen. „Ultrakalte neutrale Atome haben mehrere attraktive Eigenschaften. Beispielsweise sind alle Atome einer gegebenen Spezies an sich identisch, was sich als äußerst nützlich erweist, wenn sie als Qubits verwendet werden“, sagt Projektkoordinator Prof. Jakob Reichel vom Labor Kastler Brossel in Paris. „Neutrale Atome können auch sehr gut von der Außenwelt isoliert werden. Sie sind üblicherweise in elektromagnetischen Feldern innerhalb einer Vakuumkammer eingeschlossen, was dazu beiträgt, ihr Quantenverhältnis aufrechtzuerhalten. Dank dem erstaunlichen Fortschritt in der Atomphysik und der Lasertechnologie in den letzten Jahrzehnten sind sie auch relativ einfach in der Handhabung. Schlussendlich erweist sich der Umstand, dass sie keine elektrische Ladung aufweisen, als nützlich beim Versuch, die Systeme durch das Einfangen vieler Atome innerhalb eines kleinen Volumens zu erweitern. Während der Wert der ultrakalten Atome für Quantensimulationen bereits untersucht und bestätigt wurde, sticht QuantuM-nano mit einem neuartigen Ansatz hervor, der den Bau von Ketten aus atomaren Qubits beinhaltet. Jedes atomare Qubit wird in einer individuellen optischen Falle eingeschlossen, während leere Faangstellen alle eliminiert werden, was zu Ketten führt, die 100 % frei von Defekten sind. Dies wiederum ermöglicht, dass die Atome perfekt regelmäßig angeordnet werden können. „Von diesem Startpunkt aus haben wir begonnen, zwei Methoden zu erkunden, um die Qubits in Wechselwirkung zu bringen: dipolare Wechselwirkungen und kohärenter Austausch von Photonen in einem Hohlraum“, erklärt Dr. Sylvain Schwartz, jetzt beim Labor Kastler Brossel, der in Harvard zwei Jahre im Rahmen des Projekts gearbeitet hat. Die bahnbrechenden Ergebnisse des Projekts haben ermöglicht, dass ein großer programmierbarer Quantensimulator mit bis zu 51 Atomen geschaffen werden konnte, was laut Dr. Schwartz ein beispielloses Maß an Kontrolle darstellt. „Mit dieser Plattform könnten wir das Phasendiagramm eines Ising Hamiltonian untersuchen; die Dynamiken der zahlreichen Quantenphasenübergänge studieren; und Zustände mit zwei verschränkten Atomen auf der Grundlage von Rydberg-Wechselwirkungen erstellen, wobei die höchste bisher berichtete Genauigkeit – bei über 97 % liegt“, sagt er. In der Zukunft, hofft Prof. Reichel, werden diese Plattformen genutzt, um Algorithmen zur Quantenoptimierung zu implementieren – wobei ein auf einem klassischen Computer schwer zu lösendes Problem so in ein Quantensystem kodiert wird, dass das System sich natürlich in Richtung der gewünschten Lösung entwickelt – auch wenn noch viel Arbeit notwendig sein wird. „In Kombination mit optischen Hohlräumen könnten diese Systeme auch dazu dienen, messtechnisch nützliche Quantenzustände zu erzeugen, die die Grenzen der heutigen Atomuhren verschieben. Dies könnte wiederum zu Anwendungen in der Geodäsie führen oder zur Überprüfung einiger grundlegender Gesetze der Physik, die noch in Frage gestellt werden. Das Konsortium beabsichtigt nun, die Erforschung von monovalenten Atomen mit einer relativ einfachen Struktur, wie zum Beispiel Rubidium, auf divalente Atome, wie zum Beispiel Strontium, zu erweitern – was erwartungsgemäß in den Atomuhren von morgen Anwendung finden wird.
Schlüsselbegriffe
QuantuM-nano, Quantensysteme, atomare Qubits, ultrakalte Atome, neutrale Atome