Schnittstellen für Quantenmaterie

Nachwuchswettbewerb Quantum Futur des BMBF: SNAQC - Skalierbarkeit der Neutral-Atom Quantencomputerarchitektur 

Leiter: Dr. Johannes Zeiher

Die Arbeitsgruppe Schnittstellen für Quantenmaterie untersucht die Anbindung von kontrolliert zusammengesetzten Anordnungen lasergekühlter Atome an neuartige Schnittstellen zu optischen Photonen. Dafür kombinieren wir atomare Arrays in optischen Pinzetten mit optischen Resonatoren. In unseren Experimenten realisieren wir die messungsbasierte kontrollierte Rückkopplung auf Quantensysteme – eine Grundlage von Quantenfehlerkorrektur – und untersuchen neuartige Wechselwirkungen sowie die Erzeugung weitreichender Verschränkung in Vielteilchensystemen.  

Die Kopplung von komplexen Quantensystemen an Licht ist eine der grundlegenden Herausforderungen für Quantentechnologien. Einerseits können mittlerweile einzelne Atome in einem Bottom-Up Ansatz zusammengesetzt und in Mikrofallen in nahezu beliebige Konfigurationen gebracht werden. In Kombination mit starken, weitreichenden Wechselwirkungen zwischen Rydberg-Anregungen lassen sich durch diese nahezu frei programmierbaren Systeme wichtige Modelle des Quantenmagnetismus untersuchen. Zudem erfüllt diese Plattform auch alle Voraussetzungen zur Realisierung von ersten Quantencomputern. Andererseits bieten einzelne, an optische Resonatoren gekoppelte Atome schon seit Jahren eine Plattform zur Realisierung von elementaren Licht-Materie Schnittstellen und ermöglichen Fortschritte in Richtung der Realisierung von Quantennetzwerken.

Unsere unabhängige Forschungsgruppe wird sich mit der Kombination beider Plattformen befassen. Die schon heute verfügbaren Werkzeuge zur Realisierung komplexer Quantensysteme erweitern wir um die kontrollierte Kopplung an optische Resonatoren. In dieser hybriden Architektur untersuchen wir unter anderem zerstörungsfreie Messungen an Quantensystemen, neuartige Methoden zur Rückkopplung von Messergebnissen auf einzelne Atome sowie das Zusammenspiel von Rydberg und resonatorgestützten Wechselwirkungen. Dies ermöglicht die Realisierung neue Modelle der Vielteilchenphysik, die Untersuchung des Wechselspiels von kohärenter Quantendynamik mit kontrollierter Dissipation sowie erste Schritte in Richtung fehlerkorrigierter logischer Qubits in Rydberg Arrays (siehe SNAQC-Projekt).

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