Wetenschap
Natuurkundige bereikt mijlpaal in kwantumsimulatie met circulaire Rydberg-qubits
Een team van onderzoekers van het 5e Instituut voor Natuurkunde van de Universiteit van Stuttgart boekt belangrijke vooruitgang op het gebied van kwantumsimulatie en kwantumcomputers op basis van Rydberg-atomen door een fundamentele beperking te overwinnen:de beperkte levensduur van Rydberg-atomen. Circulaire Rydberg-staten laten een enorm potentieel zien om deze beperking te overwinnen.
Het artikel is gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review X .
In de wereld van quantum computing en quantumsimulatietechnologie is er een fundamentele uitdaging bij het gebruik van neutrale atomen:de levensduur van Rydberg-atomen, die de bouwstenen vormen voor quantum computing, is beperkt. Maar er is een veelbelovende oplossing:circulaire Rydberg stelt.
Voor het eerst is het onderzoeksteam erin geslaagd cirkelvormige Rydberg-atomen van een aardalkalimetaal te genereren en vast te leggen in een reeks optische pincetten.
"Dit is spannend omdat ze bijzonder stabiel zijn en de levensduur van een kwantumbit enorm kunnen verlengen. Ze hebben daarom een groot potentieel voor de ontwikkeling van krachtigere kwantumsimulatoren", zegt dr. Florian Meinert, hoofd van de Junior Research Group op de 5e Institute of Physics, die de leiding heeft over het project.
De betekenis van circulaire Rydberg-atomen
Een circulair Rydberg-atoom is een bepaald type Rydberg-atoom waarbij het aangeslagen elektron een cirkelvormig pad rond de atoomkern volgt. Vergeleken met andere Rydberg-toestanden hebben deze atomen een verhoogde stabiliteit en een langere levensduur. Dit maakt ze aantrekkelijke kandidaten voor gebruik als qubits.
Circulaire Rydberg-toestanden zijn al tientallen jaren bekend en vormden de sleutel tot Nobelprijswinnende experimenten over de kwantumaard van de interactie tussen licht en materie. De laatste tijd wordt het potentieel van deze toestanden voor kwantumcomputing steeds vaker besproken.
Strontium, een aardalkalimetaal
Strontium, een aardalkalimetaal met twee optisch actieve elektronen, werd gekozen om het Rydberg-atoom te creëren omdat het unieke mogelijkheden biedt. Eenmaal voorbereid in de circulaire Rydberg-toestand, kan het tweede elektron dat rond de atoomkern draait, worden gebruikt voor kwantumoperaties die al bekend zijn uit onderzoek aan ionenkwantumcomputers.
Het onderzoeksteam demonstreerde het genereren van zeer energieke circulaire toestanden van een strontiumisotoop met een verbazingwekkend lange levensduur van maximaal 2,55 milliseconden bij kamertemperatuur. Ze maakten gebruik van de speciale eigenschappen van een holte die de interfererende achtergrondstraling van het zwarte lichaam onderdrukt, waardoor het gevoelige Rydberg-elektron naar andere energetisch aangrenzende Rydberg-niveaus zou worden gedreven.
Zonder deze bescherming zouden de circulaire staten niet lang kunnen overleven. "Ze danken hun langere levensduur ook aan hun maximale impulsmoment, dat hen beschermt tegen verval. Dit betekent dat de kwantumbits stabieler zijn en daarom minder gevoelig voor fouten en externe interferentie", legt Christian Hölzl, Ph.D. student aan het 5e Instituut voor Natuurkunde.
Kwantumbits onder controle
Een ander belangrijk aspect van het onderzoek was de precieze controle en manipulatie van een microgolfkwantumbit gecodeerd in circulaire toestanden. Deze zogenaamde coherente controle stelde de wetenschappers in staat microgolfpulsen te gebruiken om de qubit tussen verschillende toestanden te schakelen zonder de kwantuminformatie te verliezen.
Ze konden de levensduur van de quantumbit nauwkeurig bepalen en belangrijke inzichten verwerven in de stabiliteit ervan bij kamertemperatuur. Effectieve coherente controle is cruciaal voor het uitvoeren van kwantumoperaties en maakt deze nauwkeurig en betrouwbaar.
Een breed scala aan toepassingen
Circulaire Rydberg-atomen bieden een veelheid aan mogelijkheden voor het uitvoeren van kwantumoperaties en in het bijzonder kwantumsimulaties. "Hun veelzijdigheid maakt ze aantrekkelijk voor een breed scala aan toepassingen", zegt prof. Tilman Pfau, directeur van het 5e Instituut voor Natuurkunde en het bovenregionale Carl Zeiss Foundation Center for Quantum Photonics in Jena, Stuttgart en Ulm (CZS Center QPhoton).
Omdat circulaire Rydberg-atomen specifiek kunnen worden opgevangen en nauwkeurig kunnen worden gemanipuleerd in optische pincetten of andere soorten vallen, bieden ze mogelijkheden voor een schaalbare architectuur die in de toekomst voordelig zou kunnen zijn voor het bouwen van grote kwantumbitsystemen op basis van neutrale atomen.