28 Aug Quantencomputer aus optischen Pinzetten
Quantencomputer sollen in Zukunft unter anderem dazu genutzt werden, komplexe physikalische Systeme zu simulieren. Beispielsweise das Verhalten von Elektronen in einem Molekül. Systeme aus Fermionen – also den Elementarteilchen, aus denen Materie besteht – lassen sich nicht ohne weiteres mit heute üblichen Qubit-basierten Quantencomputern simulieren. Wissenschaftler aus Österreich und den USA haben deshalb einen neuartigen Quantencomputer entwickelt, der fermionische Atome zur Simulation komplexer physikalischer Systeme verwenden soll. „In Quantencomputern, die auf Qubits basieren, müssen zusätzliche Ressourcen eingesetzt werden, um diese Eigenschaften zu simulieren, in der Regel in Form von weiteren Qubits oder umfangreicheren Quantenschaltkreisen“, erklärt Daniel Gonzalez Cuadra aus der Forschungsgruppe um Peter Zoller am Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) und am Institut für Theoretische Physik der Universität Innsbruck.
Quanteninformationen in optischen Fallen speichern und verarbeiten
Statt mit verschränkten Qubits arbeitet der fermionische Quantencomputer mit Registern und Quantengattern in einer Anordnung aus optischen Pinzetten. Diese sind hochfokussierte Laserstrahlen, die Atome mit hoher Präzision halten und bewegen können. Die Register werden aus unbesetzten und besetzen optischen Fallen für fermionische und somit neutrale Atome gebildet. „Die benötigten fermionischen Quantengatter können auf dieser Plattform einfach implementiert werden“, so Cuadra. „Tunnelgatter durch die Kontrolle des Tunnelns eines Atoms zwischen zwei optischen Pinzetten; Wechselwirkungsgatter, indem die Atome zunächst zu Rydberg-Zuständen angeregt werden, die ein starkes Dipolmoment haben.“
Die Forscher zeigten, wie ihr fermionischer Quantenprozessor fermionische Modelle aus der Quantenchemie und der Gittereichtheorie effizient simulieren kann; zwei wichtige Bereiche der Physik, die mit klassischen Computern nur schwer zu lösen sind. „Da die Quanteninformation direkt in Fermionen verarbeitet wird, sind einige Eigenschaften des simulierten Systems auf Hardware-Ebene schon vorhanden“, betont Cuadra. „Ich bin sehr gespannt auf die Zukunft dieses Gebiets und möchte weiterhin dazu beitragen, indem ich die vielversprechendsten Anwendungen für die fermionische Quantenverarbeitung identifiziere und maßgeschneiderte Algorithmen entwerfe, die in bald verfügbaren Geräten laufen können.“
Originalpublikation:
[D. Gonzalez-Cuadra, D. Bluvstein, M. Kalinowski, R. Kaubruegger, N. Maskara, P. Naldesi, T.
V. Zache, A. M. Kaufman, M. D. Lukin, H. Pichler, B. Vermersch, Jun Ye, and P. Zoller, Fermionic quantum processing with programmable neutral atom arrays, PNAS 2023, DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.2304294120]
Quelle und Bild: www.uibk.ac.at
