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Über eine Stunde

1200 Atome in einem Quantenregister - ein Durchbruch

10. Oktober 2024, 8:15 Uhr | Heinz Arnold

Quantenregister basierend auf neutralen Atomen, die von einer Ladezone (links) in die Speicherzone (rechts) bewegt werden. Durch regelmäßiges Nachfüllen der Ladezone lässt sich das Speicherarray aufbauen und dann kontinuierlich betreiben.

Erstmals konnte ein Quantenregister aus 1200 Atomen zusammengesetzt und anschließend über eine Stunde lang ununterbrochen betrieben werden – ein Durchbruch auf dem Weg zu skalierbaren Quantencomputern.

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Gelungen ist dies einem Forschungsteam des Munich Quantum Valleys unter Führung des Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Kooperation mit dem Quantencomputer-Start-up planqc. Das Team von Physikern um Johannes Zeiher, Forschungsgruppenleiter in der Abteilung Quanten-Vielteilchensysteme von Immanuel Bloch und Mitgründer des MPQ-Spin-offs planqc, haben ein Register mit 1200 Neutralatomen in einem optischen Gitter aus Laserlicht aufgebaut und es über eine Stunde kontinuierlich zu betrieben.

Bislang waren Anordnungen dieser Größe aufgrund unvermeidlicher Atomverluste nur schwer aufrechtzuhalten. Lösen konnten die Physiker dieses Problem mithilfe einer ausgeklügelten Technik, die es ihnen erlaubt, neue Atome sukzessive in das Qubit-Register nachzuladen – und es damit prinzipiell unbegrenzt zu nutzen.

Heute wissen wir um die Schwierigkeit, Quantensysteme mit klassischen Computern zu berechnen. Das liegt im Kern daran, dass quantenmechanische Systeme mit zunehmender Größe exponentiell komplexer werden. Bereits die exakte Berechnung des Verhaltens von hundert Quantenteilchen überfordert modernste Supercomputer.

Gleichzeitig ist ein grundlegendes Verständnis komplexer Quantensysteme unerlässlich, um die Eigenschaften bestimmter Materialien oder einzelner Biomoleküle vorherzusagen. Der Physiker und Nobelpreisträger Richard Feynman schlug daher zu Beginn der 1980er Jahre vor, für die Berechnung komplexer quantenmechanischer Phänomene nicht klassische Computer, sondern Quantensimulatoren und -computer zu benutzen, die denselben Gesetzen gehorchen wie die zu berechnenden Systeme und somit die Limitierungen klassischer Rechner umgehen.

Während Quantensimulatoren sich vor allem für ganz bestimmte, auf die Plattform angepasste Fragestellung eignen, wie etwa in der Festkörperphysik, sind Quantencomputer universeller einsetzbar, erfordern allerdings einen höheren Aufwand und Kontrolle. Sie basieren auf einzelnen, miteinander verbundenen, frei programmierbaren Speichereinheiten, sogenannten Qubits, die mithilfe von Quantengattern zwischen ihnen definierte Algorithmen ausführen können. Diese Vielseitigkeit und potenziell hohe Rechenleistung von Quantencomputern eröffnet wissenschaftlich und technisch neue Möglichkeiten, zum Beispiel für unser grundlegendes Verständnis und die Entwicklung neuer Materialien oder die quantenchemische Berechnung von Molekülstrukturen.

Eine große Hürde für die Erforschung dieser vielversprechenden Technologie ist jedoch die Skalierung der Quantencomputer und -simulatoren auf große Anzahlen an Qubits, die alle gleichzeitig und einzeln ansprechbar sein müssen. Hier konkurrieren aktuell unterschiedliche Plattformen miteinander, um diese Herausforderung zu meistern. Eine davon basiert auf neutralen Atomen.

Solche atomaren Quantencomputer und Quantensimulatoren sind in hohem Maße auf stabile und skalierbare atomare Anordnungen angewiesen, welche die Basis der Technologie bilden. Die Atome werden einzeln mit stark fokussierten Laserstrahlen, sogenannten optischen Pinzetten, oder in optischen Gittern, eingefangen. Bei den optischen gittern handelt es sich um extrem präzise und aus interferierenden Laserstrahlen geformte periodischen Anordnungen. Jedes einzelne Atom, das in solchen Pinzetten oder Gittern gefangen ist, kann als Quantenbit (Qubit) dienen. Je größer das System jedoch ist, desto mehr Atome gehen verloren. Dadurch wird das System mit der Zeit immer anfälliger für Rechenfehler. In den heute verfügbaren Systemen muss daher das gesamte Atomregister regelmäßig erneuert werden, was die erreichbare Größe von Quantensystemen stark limitiert.

Johannes Zeiher und seinem Team ist es nun gelungen, eine Art Nachladezone in den experimentellen Aufbau zu integrieren, der auf dem Erdalkaliatom Strontium basiert. Alle 3,5 Sekunden werden daraus etwa 130 Atome in das Register nachgeschoben. »Diese Technik, bei der wir verlorengegangene Atome in Echtzeit ersetzen können, ist ein wichtiger Schritt für die praktische Nutzung von Quantentechnologien, weil nur durch den langandauernden, ungestörten Betrieb der Systeme auch großangelegte Quantenberechnungen, -simulationen und -messungen möglich werden«, sagt Johannes Zeiher, Leiter des Experiments.

Als nächsten Schritt wollen die Forscher die Kontrolle über die elektronischen Zustände der Atome gewinnen, zum Beispiel mithilfe von optischen Pinzetten, damit jedes einzelne Atom im Register als Qubit fungieren kann, das Quanteninformationen enthält. Durch kontrollierte Wechselwirkungen zwischen benachbarten Atomen im Register können die Physiker dann Quantenverschränkung erzeugen, die die Grundlage für jede Quantenberechnung bilden.

»Wir arbeiten bereits an Konzepten, um unsere neue Technik mit unterbrechungsfreien Quantenrechnungen zu verbinden. Die Kohärenz von Qubits zu behalten ist essentiell, um das große Potential von Quantenrechnern zu erschließen. Das muss im Experiment noch erzielt werden«, erklärt Dr. Flavien Gyger, Erstautor des Papers »Continuous operation of large-scale atom arrays in optical lattices«.

»Um einen Quantenalgorithmus auszuführen, der industriell relevant ist, brauchen wir Tausende von Qubits, die wiederum stundenlang arbeiten müssen, um Fehlerkorrekturprotokolle durchzugehen. Unsere Ergebnisse könnten den Weg dahin ebnen, solche großen Register auch für die Erforschung kurzfristiger Anwendungen kontinuierlich zu betreiben«, sagt Stepan Snigirev, leitender Quanteningenieur bei planqc und Mitautor der Studie.

Die Gefördert wird das Projekt im Rahmen der Munich Quantum Valley Initiative vom Freistaat Bayern sowie mit Mitteln des Bundes. Es erhält zudem über die MPQ-Projekte MUNIQC-Atoms und MAQCS direkte Fördermittel des Bundesministeriums für Bildung und Forschung.