Quantencomputer der Zukunft könnten über die Energieübergänge angeregter Atome oder sogar aus reinem Licht arbeiten, wenn ein schnell wachsendes Gebiet der Atomphysik weiterhin erfolgreich ist, schreibt Keith Cooper
Für Physiker, die den heiligen Gral des Quantencomputers verfolgen, wird ein leckeres Rezept immer weiter verbreitet., Streuen Sie eine Handvoll Atome-Rubidium ist eine beliebte Zutat-in eine Vakuumkammer. Behandeln Sie mit Laserstrahlen, um die Atome auf bloße Bruchteile eines Grades über dem absoluten Nullpunkt zu kühlen. Fügen Sie dann ein paar Photonen hinzu und hey presto – Sie haben einen der grundlegenden Bausteine eines Quantencomputers erstellt.
Zumindest“ das ist die Grundidee“, sagt Mark Saffman, Atomphysiker an der University of Wisconsin-Madison in den USA. Im Mittelpunkt stehen Rydberg-Atome, die ein einziges äußeres Valenzelektron haben, das zu höheren Quantenzuständen angeregt werden kann. Sie sind die großen Väter der Atomwelt., Typischerweise ist ein Atomkern Femtometer groß, aber in einem Rydberg-Atom kann das angeregte Valenzelektron Mikrometer vom Kern entfernen, während es noch daran gebunden bleibt, wodurch der Atomradius um das Milliardfache vergrößert wird. Mit solch einer großen Reichweite kann ein Rydberg-Atom über ein starkes elektrisches Dipolmoment millionenfach besser mit anderen nahe gelegenen Atomen interagieren als „gewöhnliche“ Atome. Es ist diese interaktive Kraft – und die Fähigkeit, sie mit einem einzigen, sorgfältig ausgewählten Photon zu steuern–, die Rydberg-Atome zu einer so starken Kraft in der Welt der Quanteninformationssysteme macht.,
Gateway-Technologie
Das Herzstück jedes Computers-digital oder Quantum – sind Logikgatter. Ein Quantencomputer arbeitet auf atomarer Ebene, wo die Quantenmechanik herrscht, was bedeutet, dass die Logikgatter auch aus Atomen aufgebaut werden müssen. Ein NOT-Gate hat beispielsweise einen einzigen Eingang und zwei Zustände, 0 und 1, aber damit das Gate funktioniert, müssen die Atome nicht nur interagieren, sondern die Wechselwirkung wird gesteuert. Die elektrische Dipolstärke von Rydberg-Atomen und unsere Fähigkeit, ihre Erregung zu steuern, machen sie perfekt für Quantenlogik-Gates.,
2010 demonstrierten Saffman und seine Kollegen in Wisconsin die Fähigkeit, Logikgatter mit zwei neutralen Rubidiumatomen zu bauen, und ergänzten die Arbeit eines Teams unter der Leitung von Philippe Grangier am Institut d ‚ Optique in der Nähe von Paris. Die Quantenversion eines NOT-Gatters ist das Controlled-NOT oder CNOT – Gate, bei dem die Rubidiumatome selbst die Quantenbits – oder „Qubits“ – von Informationen sind. Einer ist mit „Kontrolle“ und der andere mit „Ziel“gekennzeichnet., In ihrem Grundzustand, der verschiedene hyperfeine Zustände aufweist, die die Quanteninformation enthalten, interagieren die Atome nicht – die vier Mikrometer, die sie trennen, könnten ebenso gut eine Unendlichkeit sein. Durch Anregung des Steueratoms in den Rydberg-Zustand durch Abfeuern eines resonanten Photons, das absorbiert wird, steigt das Valenzelektron jedoch auf ein höheres Energieniveau an und erweitert seine Reichweite ausreichend, um eine Wechselwirkung mit dem Zielatom zu ermöglichen, es zu „spiegeln“ und das CNOT-Gate in Betrieb zu nehmen., „Indem wir den Laser verwenden, um das Steueratom anzuregen, können wir die Wechselwirkung einschalten und unser Logikgatter ausführen, bevor wir die Atome in den Grundzustand zurückversetzen“, sagt Saffman.
Frühere Experimente hatten Ionen verwendet, um CNOT-Gates zu erzeugen, aber das Problem mit Ionen ist, dass es beim Laden keine einfache Möglichkeit gibt, ihre Wechselwirkungen auszuschalten, wodurch begrenzt wird, wie viele zu einem stabilen Qubit kombiniert werden können. Neutrale Rydberg-Atome stehen diesem Problem jedoch nicht gegenüber. Das heißt nicht, dass Rydberg-Atome eine neue Entwicklung sind-sie sind seit Ende des 19., Was die Entwicklung der Rydberg-Physik wirklich vorangetrieben hat, war das Aufkommen des Laserfangs und-kühlens, für das Steven Chu, Claude Cohen-Tannoudji und William Phillips 1997 den Nobelpreis für Physik erhielten. Es ist diese Fähigkeit der Physiker, einzelne Atome mit Licht zu halten und zu manipulieren, die den Weg für die Verwendung von Rydberg-Atomen in exotischen neuen Anwendungen geöffnet hat.
Stark verschoben
Laser können verwendet werden, um eine „optische Dipolfalle“ zu erzeugen, die Atome auf bloßes Mikrokelvin über dem absoluten Nullpunkt oder in einigen Fällen sogar auf Nanokelvin halten und abkühlen kann., Durch Criss-Crossing der Laser kann dieses Verfahren zu einem 2D-oder 3D-optischen Gitter erweitert werden. Die Laser sind auf eine Farbe abgestimmt, die sich von der Resonanzfrequenz des Atoms unterscheidet, um zu vermeiden, dass die Atome eines der Photonen absorbieren (was ihnen Energie geben würde, um aus der Falle zu springen). An diesem Punkt kommt ein Phänomen ins Spiel, das als Stark-Effekt bekannt ist, nämlich die Verschiebung der Energieniveaus eines Atoms als Reaktion auf ein elektrisches Wechselstromfeld, wie es durch eine elektromagnetische Welle erzeugt wird. Bei Grundzustandsatomen werden die Energieniveaus auf eine etwas niedrigere Energie verschoben., Der intensivste Teil der Laserstrahlen, wo sie sich im Gitter kreuzen, wird dann zu einem Potentialbrunnen, in dem die Atome gefangen werden, weil sie hier die größte Verschiebung erfahren und die meiste Energie verlieren (Abbildung 1).
Einmal gefangen, können die Atome dann in den Rydberg-Zustand angeregt werden, indem ein Photon mit Resonanzfrequenz auf sie abgefeuert wird. Das Problem ist, dass die Energie des resonanten Photons das Atom aus der Falle stoßen kann, und so wurde nach „magischen Wellenlängen“ gesucht, die ein Atom gleichzeitig einfangen und anregen können., Aufbauend auf fast einem Jahrzehnt Arbeit von Atomphysikern fand eine Gruppe unter der Leitung des Physikers Trey Porto am Joint Quantum Institute der University of Maryland in den USA im Jahr 2015 eine magische Frequenz für Rubidiumatome, die sie gleichzeitig in zwei verschiedenen Quantenzuständen einfangen, die die Hauptquantennummern n = 5 und n = 18 (Phys. Rev. 91 032518). Mit anderen Worten, sie können zu einem Rydberg-Zustand von 18s angeregt werden, wo sich das angeregte Elektron im 18s-Orbital befindet, während es in der Falle bleibt. Diese magische Wellenlänge entspricht einer Infrarotwellenlänge von etwa 1064 nm., Mit einem bloßen Glücksfall ist dies die Wellenlänge, die von einem Nd:YAG-Laser erzeugt wird, den die meisten Physiker ohnehin verwenden, da er einige der billigsten verfügbaren Laserleistungen liefert. Das ist besonders wichtig, wenn Sie viel Kraft wollen, ohne Ihre Physikabteilung zu bankrott zu gehen.
„Wirklich, wir waren hinterhältig und haben eine Lichtfarbe ausgewählt, die sowohl den Rydberg-Staat, an dem wir interessiert sind, als auch den Grundzustand einfängt“, sagt die Physikerin Elizabeth Goldschmidt, die eines der Teammitglieder von Porto war und jetzt im US Army Research Laboratory in Maryland ansässig ist.,
Obwohl das Team von Porto das Rubidium bis zu 18s begeisterte, war es nur ein Anfang. Um zu höheren Quantenzahlen zu gelangen – was zu stärkeren Wechselwirkungen über größere Entfernungen zwischen Atomen sowie zur Verlängerung der Lebensdauer im angeregten Zustand führt-benötigen Sie immer kürzere magische Wellenlängen. Laser, die diese kürzeren Wellenlängen emittieren, sind nicht so weit verbreitet wie 1064-nm-Laser und können bei den höchsten Frequenzen kostenintensiv werden. Dennoch sind die magischen Wellenlängen ein großer Fortschritt für Physiker wie Saffman., „Er fängt einzelne Atome ein und bringt sie dazu, in Gates zu interagieren, also kümmert er sich mehr darum, ihre magischen Wellenlängen zu finden“, sagt Goldschmidt.
Bisher so gut, aber magische Wellenlängen und Rydberg-Erregung reichen alleine nicht aus, um einen Quantencomputer herzustellen. Was fehlt, ist der Quantenaspekt, der es einem Qubit ermöglicht, in vielen Zuständen gleichzeitig zu existieren, im Gegensatz zu binären Bits, die sich nur in einem von zwei Zuständen befinden können. In der Rydberg-Physik wird dieser Quantenaspekt durch Verschränkung bereitgestellt.,
„Die Verschränkung ist das Bit, das Ihnen etwas mehr gibt, als Sie mit einem klassischen Computer tun können“, erklärt Charles Adams, Physiker am Joint Quantum Centre der Durham University in Großbritannien. Die Verschränkung entsteht durch die Wechselwirkung der Rydberg-Atome mit anderen nicht erregten Atomen um sie herum. Im Wesentlichen ist Saffmans CNOT-Gate eine Verschränkungsmaschine, und die Effizienz des Gatters hängt von der „Treue“ der Verschränkung ab, die als die Menge erfolgreicher Berechnungen definiert ist, die das verschränkte Logikgatter im Vergleich zur Gesamtzahl der Versuche erreicht.,
Ausführen der Blockade
Wenn die Atome die Qubits sind, besteht die Rolle des Photons einfach darin, die Atome in ihre Rydberg-Zustände anzuregen. Adams jagt jedoch unter anderem einen etwas anderen Preis: einen Quantencomputer aus Licht.
In einem solchen Gerät würden die Photonen stattdessen als Qubits fungieren, anstatt dass die Atome die Qubits sind. Sofort gibt es einen potenziellen Showstopper. Photonen, die massenlose Teilchen sind, interagieren nicht miteinander und können daher normalerweise keine Logikgatter erzeugen., Setzen Sie sie jedoch Rydberg-Atomen aus, und das Spiel ändert sich, sodass Physiker exotische photonische Zustände und sogar „Moleküle“ von Licht erzeugen können.
Es ist alles möglich dank der cliquey Natur der Rydberg Atome. Sammeln Sie einen engen Haufen Rubidiumatome (oder Strontium, Cäsium, Natrium oder was auch immer Ihr Lieblingsneutralatom ist), kühlen Sie sie ab und senden Sie ein Photon ein. Eines der Atome wird in den Rydberg-Zustand angeregt und interagiert mit den anderen Atomen um ihn herum, wodurch ihr Energieniveau verschoben wird., Wenn also ein zweites, identisches Photon in dieses „Rydberg-Ensemble“ geschickt wird, stellt es fest, dass es plötzlich nicht mehr mit seiner Resonanzfrequenz übereinstimmt und sie nicht erregen kann. Im Wesentlichen setzen die Rydberg-Atome eine“ Blockade “ auf die Schaffung anderer Rydberg-Atome aus einem zweiten Photon innerhalb eines Volumens von vielleicht 10 µm Durchmesser.
Für das zweite Photon ist das jedoch eine gute Nachricht., „Dies bedeutet, dass das zweite Photon eine andere optische Reaktion auf das Medium sieht – effektiv kann es einen anderen Brechungsindex sehen–, so dass sich das Verhalten des Mediums gegenüber dem zweiten Photon stark vom ersten unterscheidet“, sagt Adams. Solange die beiden Photonen dieselbe Frequenz haben, wird die Rubidiumwolke für das zweite Photon transparent, ein Effekt, der als „elektromagnetisch induzierte Transparenz“bezeichnet wird., Normalerweise würde das zweite Photon vorausrennen, aber der Brechungsindex der Rubidiumwolke wird so verändert, dass das zweite Photon nahe am Rydberg-Ensemble bleibt, das durch das erste Photon angeregt wird.
Wenn die vom ersten Photon angeregten Atome nach einigen Mikrosekunden in den Grundzustand zurückkehren, kann nicht nur das erste Photon seinen Weg fortsetzen, sondern das zweite Photon kann auch sein eigenes Rydberg-Ensemble bilden und das erste Photon blockieren., Auf diese Weise schieben und ziehen sich die beiden Photonen bei etwa 400 m/s gegenseitig durch die Rubidiumwolke, bis sie zusammen auftauchen, quantenverschränkt und scheinbar wie ein Molekül gebunden sind.
In dieser Situation werden die Photonen und Rydberg-Atome stark gekoppelt, sagt Mikhail Lukin von der Harvard University, USA., Zusammen mit seinen Kollegen Robin Cote, Michael Fleischhauer, Ignacio Cirac und Peter Zoller entwickelte er 2001 gemeinsam mit Vladan Vuletić vom Massachusetts Institute of Technology, USA, die Blockadetechnik in kalten Atomen und verwendete 2012 als erster Blockaden, um diese Rydberg-verstärkten Lichtmoleküle zu erzeugen.
„Die Kopplung bedeutet, dass sie im Wesentlichen ein neues Quasi-Teilchen bilden, das als Polariton bezeichnet wird und Teil von Licht und Teil von Atomen ist“, erklärt Lukin., Die atomare Hälfte des Polaritons wirkt als Bremse für die Photonen, je größer die atomare Erregung ist, desto langsamer ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Photonen durch das Rubidium. Lukin und Vuletić arbeiten nun daran, das Experiment mit mehr als zwei Photonen zu wiederholen.
Diese Photonen-Photonen-Wechselwirkungen unterscheiden sich grundlegend von der normalen Lichtwirkung und öffnen die Tür für die Verwendung verschränkter Photonen als Schaltkreise von Quantencomputern. Aber atomare Logiktore seien noch nicht aus dem Bild, sagt Goldschmidt., Sie glaubt, dass die optischen Logikgatter der interagierenden Photonen besser auf Quantensimulationen als auf Quantencomputer an sich angewendet würden.
Ein Quantensimulator simuliert, wie der Name schon sagt, komplexe Systeme, anstatt sie zu berechnen. Im Wesentlichen ist es eine Quantenversion einer computergestützten Vielkörpersimulation und wurde entwickelt, um bestimmte Probleme anzugehen., „In einer Quantensimulation haben Sie Wechselwirkungen zwischen den vielen Körpern Ihres Quantensystems und können so ein anderes Vielkörper-Quantensystem simulieren, ohne zu versuchen, Code mit bestimmten Gates zu implementieren“, sagt Goldschmidt.
Desktop devices
Forscher, die an der Rydberg-Physik arbeiten, haben ein Hauptziel, unabhängig davon, ob die Rydberg-Atome selbst die Schaltkreise von Quanteninformationssystemen sind oder ob Photonen, die von Rydberg-Atomen unterstützt werden, diese Rolle übernehmen., Ihr Ziel ist es, die Manipulation dieser Logikgatter mit höherer Wiedergabetreue voranzutreiben, um die Qualität ihrer Ausgabe zu erhöhen und interne Fehlerkorrekturen bereitzustellen. Der beste Weg nach vorne, stellt sich Lukin vor, ist ein hybrides System, bei dem Rydberg-Atome und Photoneninteraktionen an der Informationsverarbeitung beteiligt sind.
„Das Interessante an unserem Ansatz ist, dass wir damit das Beste aus beiden Welten nutzen können“, sagt er. „Für die Berechnung möchten Sie möglicherweise Qubits mit Atomen speichern, aber um zwischen den gespeicherten Qubits zu kommunizieren, möchten Sie tatsächlich Photonen verwenden.,“
Adams geht noch weiter und spekuliert, wie Quantencomputer und Simulatoren eines Tages zu Desktop-Maschinen werden könnten, nicht indem sie ihre Atome auf unglaublich kalte Temperaturen abkühlen, was große Geräte und viel Leistung erfordert, sondern indem sie bei Raumtemperatur arbeiten. Adams und seine Kollegen in Durham haben Experimente mit Rydberg-Atomen in „heißen“ Dämpfen bis zu 50 °C durchgeführt, aber das Problem ist die Brownsche Bewegung, die in den warmen, energetischen Atomen auftritt., Da Photonen innerhalb des Mediums als Welle gespeichert werden, zerstört diese Bewegung die Phaseninformation, was bedeutet, dass das photonische Qubit nicht abgerufen werden kann. Wenn diese und andere Herausforderungen jedoch überwunden werden können, schlägt Adams vor, dass es möglich sein könnte, einen Quantencomputer zu bauen, in dem Photonen, die in virtuellen Blasen gespeichert sind, die durch den Rydberg-Blockadeprozess auferlegt werden, eine Wechselwirkung vermitteln, die ein optisches Tor bildet. „Aber wir sind immer noch weit davon entfernt zu wissen, wie man diese Art von integrierter rein optischer Schaltung macht“, sagt er.
Rydberg-Physik ist nicht das einzige Spiel in der Stadt, wenn es um Quantencomputer., Eingeschlossene Ionen, Supraleiter, Diamanten und Bose–Einstein-Kondensate sind unter anderem Konkurrenten für die Quantenkrone. Aber Rydberg-Atome haben auch andere Verwendungen. Wenn Sie beispielsweise ein Rydberg – Ensemble mit einer bestimmten Resonanzfrequenz (z. B. Terahertz oder Mikrowelle) auswählen, kann es als ausgeklügelter Sensor fungieren und einen optischen Ausgang erzeugen, wenn es diese Felder aufnimmt., Photon-Photon-Wechselwirkungen, die durch Rydberg-Blockaden erzwungen werden, könnten sogar zu exotischen Lichtzuständen führen, die als kristallin oder flüssig gelten, wobei die Wechselwirkungen die Photonen in etwas zusammenhalten, das wie ein Lichtschwert aussehen könnte.
„Die Rydberg-Physik hat in den letzten zehn Jahren an Dynamik gewonnen“, sagt Adams. „Es gibt fast überall Gruppen, die jetzt einen Aspekt davon tun.“Es ist bemerkenswert, was die Rydberg-Physik erreichen könnte, wenn man bedenkt, dass die Zutaten einige der einfachsten Dinge im Universum sind: Atome und Photonen.,
- Journal of Physics B, von IOP Publishing – das auch Physics World veröffentlicht-veröffentlicht derzeit eine Fokusausgabe zu „Rydberg atomic physics“
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