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    Die Hector Fellow Academy stößt innovative Forschungsprojekte in neuen wissenschaftlichen Fragestellungen an.

Realisierung eines Quantenprozessors auf der Basis von Strontium-Rydberg-Atomen

Maximilian Ammenwerth – Hector Fellow Immanuel Bloch

In diesem Projekt wird ein innovatives Quantengas-Mikroskop entwickelt, welches mit Hilfe von optischen Pinzetten neutrale Strontium Atome zu konfigurierbaren und defekt-freien Anordnungen sortiert. Dies erlaubt eine schnelle Initialisierung und dient als Ausgangspunkt für die analoge Simulation von Quanten-Vielteilchensystemen und als Qubit-Register für digitales Quantencomputing. Durch Ausnutzung von Rydberg-Wechselwirkungen können Spin-Modelle simuliert und Quantengatter implementiert werden.

Mit Quantengas-Mikroskopen lassen sich die Gesetzmäßigkeiten von Quanten-Vielteilchensystemen näher untersuchen. In diesem Projekt wird ein innovatives Quantengas-Mikroskop entwickelt mit dem Fokus auf schnellen Wiederholungsraten im Messbetrieb und Anwendungen im Bereich der analogen Quantensimulation sowie darüber hinaus des digitalen Quantencomputings.

Mit Hilfe von optischen Pinzetten werden neutrale Strontium Atome zu konfigurierbaren und defekt-freien Anordnungen innerhalb eines optischen Gitters sortiert. Die Kombination von aktiver Umsortierung mit anschließender Laserkühlung in den Bewegungsgrundzustand ermöglicht eine besonders schnelle Initialisierung des Systems. Dies dient als Ausgangspunkt für die anschließende analoge Quantensimulation von Vielteilchensystemen sowie als Qubit-Register für digitales Quantencomputing.

Die Kopplung der gefangenen Atome an Rydberg-Zustände bietet die Möglichkeit einer langreichweitigen Wechselwirkung mit variabler Stärke und erlaubt somit unter anderem die analoge Simulation von Spin-Modellen. Die direkte Adressierung einzelner Atome durch ein hochauflösendes Mikroskop ist die Grundlage für die Implementierung von sequenziell ausgeführten Gatteroperationen angewendet auf einzelne Qubits. Die selektive Anregung einiger Qubits zu Rydberg-Zuständen ermöglicht hierbei die Implementierung von Logikgattern. Dies eröffnet die Möglichkeit neutrale Atome als Plattform für Quantencomputer näher zu untersuchen.

Neutrale Strontium Atome (grün) werden mit Hilfe von optischen Pinzetten auf den gewünschten Gitterplätzen angeordnet. Durch selektive Anregung zu Rydberg-Zuständen mit langreichweitiger Wechselwirkung (hellblau) können Quantengatter implementiert werden und somit beispielsweise korrelierte Quantenzustände (dunkelblau) erzeugt werden.