"Quantum Futur" startet an der Universität Stuttgart Quantensimulatoren: Längeres Leben für Rydberg-Atome

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Quantensimulatoren mit ´gefangenen` Rydberg-Atomen sind ein vielversprechender Ansatz, um das Zusammenspiel vieler wechselwirkender Quantenteilchen zu berechnen. Ihre Berechnungszeit (Kohärenzzeit) ist jedoch durch die endliche Lebensdauer des Rydberg-Zustands begrenzt. Im Rahmen des „Cirqus“-Projekts wollen Physiker der Universität Stuttgart diese Lebensdauer um den Faktor 1000 erhöhen.

Rydberg-Atome sind Atome in hoch angeregten Zuständen, die mit Laserstrahlen in Form von optischen Pinzetten eingefangen werden können. 2D-Arrays optischer Pinzetten ermöglichen bereits die Schaffung flexibler Arrays aus Hunderten von interagierenden Atomen, die als Qubits verwendet werden können. Allerdings liegt die Kohärenzzeit moderner Rydberg-Quantensimulatoren bisher bei nur etwa 10 Mikrosekunden.

Im Rahmen des BMBF-Nachwuchswettbewerbs ist das Projekt „Quantum simulation with circular Rydberg atoms“,Cirqus, im vergangenen Dezember angelaufen. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert das Projekt im Rahmen des Wettbewerbs „Quantenzukunft“ mit 2,6 Millionen Euro über fünf Jahre.

Florian Meinert vom 5. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart erläutert das Ziel: „In diesem Projekt möchte ich die Kohärenzzeit der Rydberg-Plattform auf mehr als 10 Millisekunden erhöhen.“ Um dies zu erreichen, wollen er und sein Team so genannte zirkuläre Rydberg-Zustände als neuartiges Qubit für Quantensimulationen nutzen.

Weg mit der Mikrowellenstrahlung!

Die perfekte Kontrolle dieser zirkulären Rydberg-Atome in Atomstrahlen hat bereits die Erforschung grundlegender Aspekte der Quantennatur des Lichts ermöglicht, wofür der französische Physiker Serge Haroche zusammen mit dem Amerikaner David Wineland 2012 den Nobelpreis für Physik erhielt. Ziel des Projekts Cirqus ist es nun, diese Kontrolle auf lasergekühlte und gefangene Atomarrays auszudehnen, um das außergewöhnliche Potenzial kreisförmiger Zustände für Quantensimulationen zu nutzen.

Ein innovatives Konzept dazu wird am 5. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart untersucht. Meinert dazu: „Die lange Kohärenzzeit von zirkulären Rydberg-Zuständen ist nicht einfach gegeben. Entscheidend ist, dass wir die Mikrowellenstrahlung, die in unseren quantenoptischen Labors als Schwarzkörperstrahlung überall vorhanden ist, ausschalten, denn sie stört die Kohärenz unseres Qubits.“ Mit seiner Gruppe wird er zu diesem Zweck einen speziell entwickelten Kondensator zur Unterdrückung von Mikrowellen einsetzen. Damit lässt sich die sonst notwendige Kühlung mit teuren Flüssiggasen vermeiden.

Der Quantensimulator mit kreisförmigen Rydberg-Atomen ermöglicht eine Vielzahl von Anwendungen, etwa die Simulation von Quantenmaterialien oder die Lösung von Optimierungsproblemen. Die lange Kohärenzzeit wird erstmals genutzt, um die Vielteilchendynamik in 2D-Quantenmagneten auf dieser Plattform zu untersuchen. Perspektivisch bietet die perfekte Kontrolle über gefangene zirkuläre Rydberg-Atome auch vielversprechende Möglichkeiten für neuartige Qubit-Konzepte für das digitale Quantencomputing mit neutralen Atomen.

* Andrea Mayer-Grenu arbeitet in der Abteilung Hochschulkommunikation der Universität Stuttgart.

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