Meilenstein in der Quantensimulation mit zirkularen Rydberg-Qubits

Ein Forscherteam am 5. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart hat wichtige Fortschritte im Bereich der Quantensimulation und des Quantencomputings auf der Basis von Rydberg-Atomen erzielt, indem es eine grundlegende Einschränkung überwunden hat: die begrenzte Lebensdauer von Rydberg-Atomen. Zirkulare Rydberg-Zustände zeigen enormes Potenzial, diese Limitierung zu überwinden. Das renommierte Fachjournal Physical Review X berichtet darüber in seiner neuesten Ausgabe.

In der Welt der Quantencomputing- und Quantensimulations-Technologie mit neutralen Atomen gibt es eine fundamentale Herausforderung: Die Lebensdauer von Rydberg-Atomen, die als Bausteine für das Quantenrechnen dienen, ist begrenzt. Aber es gibt eine vielversprechende Lösung: zirkulare Rydberg-Zustände. Dem Forscherteam ist es gelungen, erstmals zirkulare Rydberg-Atome eines Erdalkalimetalls in einem Array aus optischen Pinzetten zu erzeugen und zu fangen. „Das ist aufregend, denn sie sind besonders stabil und können die Lebensdauer von Quantenbits enorm verlängern. Damit bieten sie ein großes Potenzial für die Entwicklung von leistungsfähigeren Quantensimulatoren“ freut sich Dr. Florian Meinert, Nachwuchsgruppenleiter am 5. Physikalischen Institut und federführend verantwortlich für das Projekt.

Zirkulare Rydberg-Atome sind eine spezielle Form von Rydberg-Atomen, bei denen das angeregte Elektron eine kreisförmige Bahn um den Atomkern einschlägt. Diese Atome bieten im Vergleich zu anderen Rydberg-Zuständen eine erhöhte Stabilität und eine längere Lebensdauer. Dies macht sie zu attraktiven Kandidaten für die Verwendung als Qubits. Diese Zustände sind seit Jahrzehnten bekannt und waren der Schlüssel zu nobelpreisgekrönten Experimenten zur Quantennatur der Licht-Materie-Wechselwirkung. In letzter Zeit wird das Potential dieser Zustände für das Quantenrechnen wieder zunehmend diskutiert.

Zur Erzeugung des Rydberg-Atoms wurde das Erdalkalimetall Strontium mit zwei optisch aktiven Elektronen gewählt, weil es einzigartige Möglichkeiten bietet. Einmal im zirkularen Rydberg-Zustand präpariert, lässt sich das zweite Elektron, das den Atomkern umkreist, für Quantenoperationen verwenden, die aus der Forschung an Ionen-Quantencomputern bereits bekannt sind. Das Forscherteam demonstrierte die Erzeugung von sehr hochenergetischen kreisförmigen Zuständen eines Strontium-Isotops mit einer erstaunlich langen Lebensdauer von bis zu 2,55 Millisekunden bei Raumtemperatur. Dabei machten sie sich die speziellen Eigenschaften eines Hohlraums zunutze, der die störende Schwarzkörper-Hintergrundstrahlung unterdrückt. Diese würde das sensible Rydberg-Elektron in andere energetisch benachbarte Rydberg-Niveaus treiben. Ohne diese Abschirmung wären die zirkularen Zustände nicht lange überlebensfähig. „Die längere Lebensdauer verdanken sie auch ihrem maximalen Drehimpuls, der sie vor dem Zerfall schützt. Das bedeutet, dass die Quantenbits stabiler und somit weniger anfällig für Fehler und Störungen von außen sind“ erläutert Christian Hölzl, Doktorand am 5. Physikalischen Institut.

Ein weiterer wichtiger Aspekt der Forschung war die präzise Steuerung und Manipulation eines Mikrowellen-Quantenbits, das in kreisförmigen Zuständen kodiert war.  Diese sogenannte Kohärenzkontrolle ermöglichte es den Wissenschaftlern mit Hilfe von Mikrowellenpulsen das Qubit gezielt zwischen verschiedenen Zuständen umzuschalten, ohne dabei seine Quanteninformation zu verlieren. Dabei konnten sie die Lebensdauer des Quantenbits exakt bestimmen und wichtige Erkenntnisse über seine Stabilität bei Raumtemperatur gewinnen. Eine effektive Kohärenzkontrolle ist entscheidend für die Durchführung von Quantenoperationen und machen sie präzise und zuverlässig.

Zirkulare Rydberg-Atome bieten eine Vielzahl von Möglichkeiten zur Durchführung von Quantenoperationen und insbesondere von Quantensimulationen. „Ihre Vielseitigkeit macht sie für eine breite Palette von Anwendungen attraktiv“, ist sich Prof. Tilman Pfau, Direktor des 5. Physikalischen Instituts und des überregionalen Carl-Zeiss-Stiftung Center für Quantenphotonik – Jena – Stuttgart – Ulm (CZS Center QPhoton), sicher. Da zirkulare Rydberg-Atome in optischen Pinzetten oder anderen Fallentypen gezielt gefangen und präzise manipuliert werden können, bieten sie Möglichkeiten für eine skalierbare Architektur, die in Zukunft für den Aufbau großer Quantenbitsysteme auf Basis neutraler Atome von Vorteil sein könnte.

Zum Projekt
Das Projekt unter der Federführung von Florian Meinert wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der Nachwuchsförderinitiative „Quantum Futur“ seit 2021 mit einer Projektlaufzeit von fünf Jahren und einem Projektvolumen von 2,6 Millionen Euro gefördert.