Quantenprozessor mit verschränkten Atompaaren

Verschränkung ist ein Hauptmerkmal der Quantenphysik, welches sie von der klassischen Physik unter- scheidet. Die Erzeugung, Manipulation und Detektion der Quantenverschränkung sind wesentliche Bestand- teile der Quantenforschung. Aufgrund der großen Bedeutung wurde der Nobelpreis für Physik 2022 an Wissenschaftler für Verschränkungsexperimente und wegweisende Quantenforschung und -technologien verliehen. Als immer größer werdendes Gebiet in Physik und Ingenieurwissenschaften hat die Quantentechnologie in den letzten zwei Jahrzehnten eine explosionsartige Entwicklung erfahren. Unter den vielen bereits etablier- ten Möglichkeiten an beziehungsweise mit Quantentechnologie zu forschen weisen Geräte, die mit neutral geladenen Atomen arbeiten, einzigartige Merkmale auf. Beispiele dazu sind gute Skalierbarkeit, hohe Fle- xibilität, lange Kohärenzzeiten und genaue Detektierung. Viele der fortschrittlichen Quantentechnologien, die mit Atomen arbeiten, werden zur Lösung wissenschaftlicher Probleme und zur Entwicklung von Quan- tenanwendungen benötigt. Dieses Projekt zielt darauf ab, eine Atomoptikplattform zu entwickeln, um Quantenverschränkungstechni- ken mit den Vorteilen ultrakalter Atome zu verbinden. Die Aufspaltung eines zweiatomigen Moleküls er- zeugt eine nichtlokale Verschränkung zwischen zwei Fermionen in einem Paar. Dieser Prozess stellt somit eine Quelle dar, verschränkte Atome zu generieren. Die Atome können einzeln mit extrem hoher Genauig- keit adressiert, manipuliert und detektiert werden. Langfristig stellen wir uns vor, einen voll programmier- baren Atomoptik-Prozessor zu entwickeln und ihn in zuverlässige, große und komplexe atomtronics-Ge- räte zu integrieren. Die Plattform wird auf Basis des ultrakalten Lithium-6-Quantengasexperiments im Atominstitut der TU Wien aufgebaut. Experimente werden in zehn bis hunderten optischen Fallen(Lichtwellenleitern) durchge- führt, die parallel nebeneinander angeordnet sind. Das Zentrum jedes Wellenleiters wird mit einem einzel- nen 6 Li2 -Molekül initialisiert. Die anschließende molekulare Aufspaltung erzeugt eine Verschränkung zwi- schen zwei entstehenden Atomen, die in die Wellenleiter eingeführt werden. Der Quantenzustand kann lokal durch die Kombination von einem fokussierten Laser und einem Hochfrequenzpuls manipuliert werden. Der Zustand der Qubits kann direkt (in-situ) einzeln untersucht werden, da die hohe Auflösung es zulässt, einzelne Atome zu betrachten. Eine erfolgreiche Durchführung dieser Experimente wird es uns ermöglichen, einen neuartigen atomopti- schen Quantenprozessor zu entwickeln. Dies wird den Aufbau einer neuen atomoptischen Plattform möglich machen und neue Perspektiven bieten, welche von Experimenten für die grundlegende Quantenphysik bis hin zur Entwicklung von Quantentechnologien reichen werden.

Dieses Projekt entwickelt eine neue Methode, um Paare von Quantenteilchen - einzelne Atome - zu erzeugen und zu kontrollieren, die stark miteinander verbunden sind, selbst wenn sie weit voneinander entfernt sind. Solche "verschränkten" Atome sind eine zentrale Ressource für zukünftige Quantentechnologien, darunter Quantencomputer, Quanteninformationsverarbeitung und hochpräzise Sensoren. Unser wichtigstes Ergebnis ist die Entwicklung einer integrierten Plattform, die diese verschränkten Atompaare zuverlässig und gezielt erzeugen kann. Der Ansatz beginnt mit einzelnen Molekülen aus zwei Atomen, die auf extrem niedrige Temperaturen gekühlt werden. Durch ein kontrolliertes Auseinanderbrechen dieser Moleküle entstehen zwei Atome, die auf natürliche Weise eine tiefe quantenmechanische Verbindung teilen. Aufgrund grundlegender physikalischer Gesetze geschieht dies auf eine stark kontrollierte und vorhersagbare Weise. Jedes Atom kann anschließend einzeln angesprochen, gesteuert und mit sehr hoher Genauigkeit gemessen werden. Mithilfe moderner Bildgebungsverfahren lassen sich einzelne Atome nachweisen und ihr Quantenzustand mit einer Genauigkeit von über 99 % bestimmen. Dadurch können wir die Verschränkung nicht nur erzeugen, sondern auch zuverlässig überprüfen und nutzen. Ein wesentlicher Vorteil dieser Plattform ist ihre Skalierbarkeit. Das System kann auf viele parallele Kanäle erweitert werden, sodass gleichzeitig Hunderte von verschränkten Atompaaren erzeugt und kontrolliert werden können. Damit wird eine der größten Herausforderungen der Quantentechnologie adressiert: die effiziente Vorbereitung großer Zahlen von Quantenbits (Qubits) in einem wohldefinierten Zustand. Über die Demonstration neuer experimenteller Möglichkeiten hinaus eröffnet diese Arbeit ein breites Anwendungsspektrum. Die Plattform kann genutzt werden, um grundlegende Fragen der Quantenmechanik zu untersuchen, etwa wie nichtlokale Zusammenhänge zwischen weit entfernten Teilchen entstehen. Es eröffnet zudem einen vielversprechenden Weg zum Aufbau von Quantenprozessoren auf Basis von Atomen und stellt eine Alternative zu bestehenden Ansätzen mit Photonen dar. Langfristig könnte diese Technologie zu Fortschritten in der Quanteninformatik, der sicheren Kommunikation und der Präzisionsmesstechnik beitragen. Durch die Integration zentraler Komponenten in kompakte und skalierbare Systeme bringt diese Arbeit Quantentechnologien näher an praktische Anwendungen.