28.07.2026

Volle Kontrolle über 2.000 schwebende Rydberg-Atome

Komplexes laseroptisches System des Fraunhofer ILT am 5. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart installiert.

Im Array aus 20 Reihen mit je 100 einzeln ansteuerbaren Laserfoki lassen sich Rydberg-Atome im geforderten Abstand von 3,5 µm zueinander positionieren

Quelle: Fraunhofer ILT, Aachen / Ralf Baumgarten

In Stuttgart entsteht ein Quantencomputer auf Basis einzelner Rydberg-Atome. Einen wichtigen Meilenstein bildet nun die Inbetriebnahme eines hochkomplexen laseroptischen Systems, das in enger Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT in Aachen entwickelt wurde. Es ermöglicht die präzise Kontrolle von bis zu zweitausend Strontium-Atomen und schafft damit eine wesentliche Voraussetzung für die Skalierung der am Institut entwickelten Quantencomputerplattform.

Das Forschungsteam des 5. Physikalischen Instituts entwickelt seit 2021 eine neuartige Quantencomputerarchitektur auf Basis einzelner Rydberg-Atome, die mithilfe optischer Pinzetten in frei konfigurierbaren Atomarrays angeordnet werden. Gruppenleiter Florian Meinert und sein Team haben bereits ein ganzes Set zentraler Komponenten für diese Quantencomputerplattform zum Patent angemeldet, darunter ein neuartiges schnelles „Feinstruktur-Qubit“, eine vakuumtaugliche elektrische Feldkontrolle für die empfindlichen Rydberg-Zustände, und eine neue Methode zur Realisierung dynamischer Qubit-Arrrays. Diese Bausteine bilden nun die Grundlage für die weitere technologische Entwicklung der Plattform.

The system that will enable the future control of an array of 2,000 individually addressable laser beams is delivered to the laboratory in an unassuming enclosure and integrated into the existing experiment.

Zum Ausrichten der Spiegel mit der nötigen Genauigkeit war ein Hexapod-System mit sechs Aktuatoren im Einsatz. Dieses kann die Spiegel in je drei Raumrichtungen und Winkeln frei justieren.

Two atoms (blue) are selectively excited into highly excited Rydberg states using laser beams. Because this interaction can be switched on and off very rapidly with lasers, fast quantum gate operations with low error rates are possible

Quantencomputer auf Basis von Neutralatomen zählen weltweit zu den vielversprechendsten Ansätzen für leistungsfähige und skalierbare Quantencomputer. Nachdem das Stuttgarter Team 2024 das Feinstruktur-Qubit bereits erfolgreich im Labor realisieren konnte, geht es jetzt um die Systemskalierung. Ziel ist es, in Zukunft Quantenalgorithmen mit vielen hundert Qubits ausführen zu können. Hierfür wurde ein laseroptisches System entwickelt, das bis zu zweitausend einzeln steuerbare Laserstrahlen erzeugt. Die Strahlen bilden optische Pinzetten, die die Rydberg-Atome im Vakuum fangen und positionieren können. Zwanzig akustooptische Modulatoren steuern die Positionen der Laserstrahlen und erlaubt es die Atompositionen während des Algorithmus dynamisch innerhalb weniger Mikrosekunden umzuordnen. Eine solche dynamische Qubit-Konnektivität ist ein besonderes Merkmal der Neutralatomplattform und ermöglicht es, ganz neue quantenlogische Schaltkreise zu realisieren.

Das laseroptische System wurde vom Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT in Aachen speziell für die Anforderungen des Stuttgarter Quantencomputerprojekts entworfen und aufgebaut. Die Spezifikationen entstanden in enger Zusammenarbeit mit den Stuttgarter Forschenden, die die physikalischen Anforderungen an die Quantenprozessorarchitektur definierten.

Das Ergebnis ist ein optisches System mit mehr als 150 Komponenten, das trotz seines hohen Integrationsgrades auf einer Fläche von rund einem Quadratmeter Platz findet. „Wir haben den fast 300 kg schweren Aufbau nun in unser Experiment integriert und erste Tests durchgeführt, ob wir die Atome mit der gewünschten Präzision kontrollieren können. Auch die Ansteuerung der Optik ist eine Herausforderung, da hierfür mehr als tausend Radiofrequenztöne zeitlich präzise kontrolliert werden müssen. Die dynamischen Verschiebe-Operationen der Qubits in unserem System ähneln denen eines Abakus“ erklärt Florian Meinert.

Mit der erfolgreichen Integration des laseroptischen Systems rückt das Ziel näher, einen skalierbaren Quantencomputer auf Basis von Rydberg-Atomen zu realisieren. Das Team möchte ihren ‚Quanten-Abakus‘ perspektivisch für die Erforschung fehlertoleranter Quantenarchitekturen mit mehreren hundert bis tausend Qubits einsetzen. [U Stuttgart / FhILT / dre]

Optikdesign und Diodenlaser (Martin Traub, Sarah Klein), Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT, Aachen

Rydberg Quantum Computer (Florian Meinert), 5. Physikalisches Institut (Tilman Pfau), Fachbereich Physik, Universität Stuttgart