Quantencomputer gelten als die Zukunftstechnologie, wenn es um leistungsfähige Rechensysteme geht. Derzeit existieren verschiedene technologische Ansätze, um derartige Systeme zu realisieren, darunter supraleitende Schaltkreise, photonische Schaltkreise oder einzelne atomare Qubits, wie zum Beispiel neutrale Atome und gefangene Ionen. Insbesondere neutrale Atome in optischen Pinzetten stellen zwar einen vergleichsweise jungen Forschungsstrang dar, machen gegenüber anderen Technologien aber rasche Fortschritte. Im Projekt »Skalierbare Optische Modulatoren für Atomare Quantencomputer«, kurz SMAQ, welches im Rahmen des QNC-Space der Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland (FMD) realisiert wurde, sind dem Fraunhofer IPMS und dem Max-Planck-Institut für Quantenoptik nun bedeutende Erfolge für die Entwicklung von Neutralatom- bzw. Atomfallen-Quantencomputer gelungen.
Laser als Quantenanreger
Quantencomputer, die auf geladenen oder neutralen atomaren Qubits basieren, bieten eine Vielzahl an Vorteilen gegenüber alternativen Technologien. Sie ermöglichen eine intrinsisch hohe Qualität der einzelnen Qubits, also den Ladungsträgern des Rechensystems, und erreichen damit exzellente Kohärenzzeiten und Gattergüten. Damit Neutralatome zu Qubits werden, müssen sie in ihren Quantenzuständen mit hochpräzisen Lasern angesprochen werden. Zur Erzeugung von Qubits werden in atomaren Quantencomputern unter anderem Strontiumatome genutzt. Die Manipulation dieser Atome erfolgt im UV-Bereich, da wichtige elektronischen Übergänge, über welche ihre Quantenzustände angeregt werden können, nur im ultravioletten Spektralbereich zu erreichen sind. Das Max-Planck-Institut für Quantenoptik forscht seit längerem an der Anordnung und Adressierung von neutralen Atomen. Die Hardware zur räumlichen Modulation der benötigten UV-Strahlen befindet sich aktuell in der Entstehungsphase. Derzeit fehlt es an skalierbaren und ausreichend präzisen Lösungen, mit denen Qubits einzeln angeregt werden können. Im Projekt konnte nun nachgewiesen werden, dass sich mit Flächenlichtmodulatoren (engl. Spatial Light Modulators, sog. SLMs) auf Basis von Senkspiegel-Arrays im relevanten UV-Wellenlängenbereich optische Punktgitter von hoher Güte realisieren lassen.
Das Fraunhofer IPMS verfügt über besondere Expertise zu solchen Senkspiegel-Arrays. Die zur Qubiterzeugung genutzten Strontiumatome werden im Experiment, geleitet vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik, durch Laserkühlung abgekühlt und in optischen Punktgittern eingefangen. Im gemeinsamen Projekt wurde die komplementäre Expertise beider Partner zusammengebracht, um in neue Regimes im atomaren Quantencomputing vorzudringen. Hierfür entwickelte das Fraunhofer IPMS einen mikrospiegelbasierten Flächenlichtmodulator weiter, mit dem sich programmierbare und hochpräzise Muster (im nm-Bereich) generieren lassen. Diese Phasenmuster lassen sich dann mit der passenden Optik in beliebige Laserstrahl-Schemen umwandeln. Im Rahmen des Projekts wurde dem Max-Planck-Institut für Quantenoptik ein entsprechendes Element zur Testung zur Verfügung gestellt und dessen Leistungsfähigkeit in allen Bereichen demonstriert.
In zukünftigen Arbeiten können die winzigen Atome in den Fokuspunkten der Laserstrahlen eingefangen und in bestimmten Positionen gehalten werden. Die Laserstrahlen funktionieren dann als sogenannte »optische Pinzette«. Anschließend werden ihre internen Quantenzustände mit präzisen Impulsen manipuliert, um Quantenlogik-Operationen für die Quantenberechnung durchzuführen.
Dr. Michael Wagner vom Fraunhofer IPMS sagt über das gelungene Projekt: »Unsere SLM-Systeme ermöglichen eine Lichtmodulation bis in den tiefen UV-Bereich hinein. Die Mikrospiegeltechnologie bietet gegenüber flüssigkristallbasierten Lichtmodulatoren eine Reihe an Vorteilen, wie die UV-Tauglichkeit, höhere Modulations-geschwindigkeiten bis in den Megahertz-Bereich und polarisationsunabhängiges Arbeiten.« Neben dem Nachweis der SLM-Tauglichkeit für quantenoptische Experimente im UV-Bereich durch das Fraunhofer IPMS und der erfolgreichen Qualifizierung für das experimentelle Set-up durch das Max-Planck-Institut, lag der Fokus im Projekt auf der Evaluierung der Genauigkeit der Phasenmodulation. Eine Phasenkontrolle im Bereich von deutlich unter einem Hundertstel einer Wellenlänge wurde nachgewiesen und erfüllt so die höchsten Anforderungen an die Qualität optischer Pinzetten.
Die nächste Stufe auf dem Weg zum Quantensystem
Die Verwendung von mikrospiegelbasierten Flächenlichtmodulatoren zur Mustergenerierung und Qubit-Kontrolle eröffnet eine neue Dimension an Präzision und Skalierbarkeit. Der entwickelte Demonstrator und die Projektergebnisse sind Schlüsselparameter für eine zielgerichtete Weiterentwicklung der SLM-Technologie für die Anwendungen im Quantenbereich. Sie können zukünftig eine verlässliche Basis für die Realisierung einer Adressiervorrichtung darstellen. Als eines der nächsten Ziele sollen SLM´s entwickelt werden, welche die parallele Erzeugung von mehreren 1000 fokussierten Laserstrahlen im ultravioletten Spektralbereich ermöglichen. Zudem steht die Erhöhung der Systemgeschwindigkeit im Fokus. Die derzeit realisierten 1 kHz stellen nur einen Startwert für künftig deutlich schnellere Modulatoren dar.
Fraunhofer-Gesellschaft
