Flächenlichtmodulatoren für Quantencomputer
Fraunhofer-IPMS und MPQ entwickeln skalierbare Technologie, um Qubits zu kontrollieren.
Dem Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme und dem Max-Planck-Institut für Quantenoptik sind Fortschritte im Bereich der Erzeugung arbiträrer Lichtverteilungen gelungen, die auch für atomares Quantencomputing relevant sind. Mittels Flächenlichtmodulatoren können sie parallel eine Vielzahl von Atomen per Laserstrahl in gewünschten Positionen halten. So lokalisiert werden sie zu schaltbaren Informationsträgern für Quantencomputer oder für andere Anwendungen im Bereich der Quantenmetrologie und Quantensimulation – ein wichtiger Schritt in Richtung skalierbarer Quantensysteme.
Derzeit existieren verschiedene technologische Ansätze, um leistungsfähige Quantencomputer 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, das im Rahmen des QNC-Space der Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland (FMD) durchgeführt wurde, sind wichtige Erfolge für die Entwicklung von Neutralatom- bzw. Atomfallen-Quantencomputer gelungen.
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 die ihre Quantenzustände angeregt werden können, nur im ultravioletten Spektralbereich zu erreichen sind. Das MPQ 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 erzeugen lassen.
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Das Fraunhofer-Institut verfügt über Expertise zu solchen Senkspiegel-Arrays. Die zur Qubiterzeugung genutzten Strontiumatome werden im Experiment, geleitet vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik, mittels Lasern abgekühlt und in optischen Punktgittern eingefangen. Im Projekt wurden die komplementären Kenntnisse beider Partner zusammengebracht, um in neue Regimes im atomaren Quantencomputing vorzudringen. Hierfür entwickelte das IPMS einen mikrospiegelbasierten Flächenlichtmodulator weiter, mit dem sich programmierbare und hochpräzise Muster im Nanometer-Bereich generieren lassen. Diese Phasenmuster lassen sich dann mit der passenden Optik in beliebige Laserstrahl-Schemata umwandeln. Im Rahmen des Projekts wurde dem MPQ 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 optische Pinzette. Anschließend werden ihre internen Quantenzustände mit präzisen Impulsen manipuliert, um Quantenlogik-Operationen für die Quantenberechnung durchzuführen.
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 SLMs entwickelt werden, die die parallele Erzeugung von mehreren tausend 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. [FhIPMS / dre]
