Ein fermionischer Quantenprozessor

Wissenschaftler aus Österreich und den USA haben einen neuartigen Quantencomputer entwickelt, der fermionische Atome zur Simulation komplexer physika­lischer Systeme verwendet. Der Prozessor verwendet neutrale Atome in optischen Pinzetten und ist in der Lage, fermionische Modelle auf effiziente Weise mit fermionischen Gattern zu simulieren. Das Team um Peter Zoller zeigt, wie der neue Quanten­prozessor fermionische Modelle aus der Quantenchemie und Teilchen­physik effizient simulieren kann.

Fermionische Atome sind Teilchen, die dem Pauli-Prinzip gehorchen: Zwei von ihnen können gleichzeitig nie denselben Quanten­zustand einnehmen. Das macht sie ideal für die Simulation von Systemen, in denen fermionische Eigenschaften eine entscheidende Rolle spielen, wie etwa Moleküle, Supraleiter und Quark-Gluon-Plasmen. „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 der Öster­reichischen Akademie der Wissen­schaften.

Ein fermionischer Quanten­prozessor besteht aus einem fermionischen Register und einer Abfolge von fermionischen Quantengattern. „Das Register besteht aus einer Reihe von fermio­nischen Zuständen, die entweder leer oder von einem einzelnen Fermion besetzt sein können, und diese beiden Zustände bilden die lokale Einheit der Quanten­information“, erläutert Cuadra. „Der Zustand des Systems, das wir simulieren wollen, etwa ein aus vielen Elektronen bestehendes Molekül, wird im Allgemeinen eine Überlagerung vieler Besetzungs­muster sein, die direkt in dieses Register kodiert werden können.“ Diese Informationen werden dann in einem fermio­nischen Quanten­schalt­kreis verarbeitet, der beispiels­weise die zeitliche Entwicklung eines Moleküls simulieren soll. Jede solche Operation kann in eine Folge von nur zwei Arten von fermio­nischen Gattern zerlegt werden, einem Tunnel­gatter und einem Wechsel­wirkungs­gatter.

Die Forscher schlagen vor, fermionische Atome in einer Anordnung optischer Pinzetten einzufangen. Das sind hoch­fokus­sierte Laser­strahlen, die Atome mit hoher Präzision halten und bewegen können. „Die benötigten fermio­nischen Quanten­gatter können auf dieser Plattform einfach imple­men­tiert werden: 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“, sagt Cuadra.

Ein fermionischer Quanten­prozessor ist besonders nützlich, um die Eigen­schaften von Systemen zu simulieren, die aus vielen wechsel­wirkenden Fermionen bestehen, wie Elektronen in einem Molekül oder in einem Material oder Quarks in einem Proton, und könnte daher in vielen Bereichen Anwendung finden, von der Quantenchemie bis zur Teilchenphysik. Die Forscher zeigen, 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, was bei einem Quanten­computer auf Qubit-Basis zusätzliche Ressourcen erfordern würde“, sagt Cuadra.

U. Innsbruck / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  D.Gonzalez Cuadra et al.: Fermionic quantum processing with programmable neutral atom arrays, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 120, e2304294120 (2023); DOI: 10.1073/pnas.2304294120
• Quantenoptik und Quanteninformation (P. Zoller), Institut für Quantenoptik und Quanteninformation, Österreichische Akademie der Wissenschaften, Innsbruck, Österreich