Volledige controle over 2000 gevangen Rydberg-atomen

Fraunhofer ILT in Aken heeft een zeer complex laseroptisch systeem ontwikkeld voor een kwantumcomputer die momenteel in aanbouw is bij het 5e Instituut voor Fysica aan de Universiteit van Stuttgart. Dit systeem maakt het mogelijk om 2000 Rydberg-atomen met submicrometerprecisie te positioneren in de zeer compacte vacuümkamer van de computer.

Om dit te bereiken, projecteert het systeem een ​​reeks van 2000 individueel aanstuurbare laserstralen in de kamer. Deze stralen fungeren als optische pincetten en houden de gevangen Rydberg-atomen precies op de afstand die nodig is voor interactie met elkaar. De kwantumlogica van de computer is gebaseerd op deze interacties.

De taak was enorm, aldus de wetenschappen: een systeem ontwikkelen dat 2000 ingevangen strontiumatomen kan besturen met behulp van optische pincetten en ze met een nauwkeurigheid van minder dan 100 nanometer (nm) kan positioneren in de vacuümkamer van een Rydberg-kwantumcomputer. De vacuümkamer is de verwerkingseenheid van de computer, waar twee naast elkaar gelegen atomen door laserstimulatie in een toestand worden gebracht waarin ze met elkaar interageren. Deze interacties kunnen worden gecontroleerd en gemeten. Wetenschappers noemen ze twee-qubit logische poorten; ze vormen de bouwstenen van de kwantumlogische poort in een Rydberg-kwantumcomputer.

Rydbergatomen zijn bijzonder geschikt voor kwantumcomputing. In hun door lasers aangeslagen toestand zijn ze groter dan één micrometer (µm), omdat hun buitenste elektron als gevolg van de excitatie kortstondig naar een orbitaal ver van de atoomkern beweegt, waar het desondanks gebonden blijft. Vanwege de zwakke binding van het buitenste elektron zijn de atomen echter zeer gevoelig voor elektrische velden, die ook afkomstig kunnen zijn van naburige atomen. Wetenschappers benutten deze eigenschap voor de zeer precieze elektromagnetische besturing van kwantumoperaties.

Gepatenteerde qubit-aanpak

Een team van het 5e Instituut voor Fysica aan de Universiteit van Stuttgart, onder leiding van Florian Meinert en Tilman Pfau, werkt aan een universele kwantumcomputer met behulp van Rydberg-atomen. Voor deze computer gebruiken ze een gepatenteerde fijnstructuur-qubit gebaseerd op de magische golflengte van 592 nm. Bij deze golflengte worden zowel de toestand van de qubit als de Rydberg-toestand even sterk vastgehouden in de optische pincet, wat het systeem robuust maakt.

Als men probeert een paar qubits tegelijkertijd in de Rydberg-toestand te exciteren met behulp van lasers, ondergaat een van de atomen een excitatieblokkade als gevolg van de sterke interactie tussen hen. Dit vormt de basis voor de rekenkundige bewerkingen van de demonstrator die het team momenteel in Stuttgart bouwt en test. De taak die in het begin werd beschreven, dient om de computer op te schalen: het betreffende optische systeem is ontworpen om de atomen op hun plaats te fixeren met 2000 laserstralen en om het team in staat te stellen de array, gevormd door 20 x 100 laserfocuspunten en de daaraan gekoppelde qubits, te herschikken tijdens lopende rekenprocessen. Om optimale interactie met naburige atomen in de array te garanderen, zijn deze exact 3,5 µm van elkaar verwijderd.

Zeer complex laser-optisch systeemontwerp

Om efficiënte foutcorrectie in de kwantumpoort te bereiken, moet elk van de 2000 laserstralen afzonderlijk aanstuurbaar zijn. Dit mag echter niet ten koste gaan van de precisie: de afstanden tussen de laserfocuspunten zijn tot op < 100 nm nauwkeurig gedefinieerd om snelle, betrouwbaar schakelbare interacties tussen de aangeslagen atomen te garanderen.

Het Fraunhofer ILT ging de uitdaging aan die het onderzoeksteam uit Stuttgart stelde en ontwikkelde en ontwierp het bijbehorende laser-optische systeem op basis van uitgebreide simulaties. Na de assemblage volgden uitgebreide tests vóór de levering. Tijdens de ingebruikname waren geen verdere aanpassingen nodig. In het totale ontwerp van de kwantumcomputer was slechts één vierkante meter gereserveerd voor het optische systeem, dat meer dan 150 optische componenten omvat. Het team in Aken kon ook aan deze eis voldoen en heeft het compacte systeem sindsdien met succes ter plaatse in gebruik genomen.

Sterker nog, ze slaagden erin een opstelling van 20 rijen te ontwikkelen, elk met 100 individueel regelbare laserfocuspunten, met de vereiste tussenafstand van 3,5 µm. Om dit te bereiken, splitst de opstelling – bestaande uit trapsgewijs opgestelde straalsplitsers, akoestisch-optische deflectoren, lenzen en spiegels – vier aanvankelijk binnenkomende laserstralen geleidelijk in de benodigde 2000 individueel regelbare stralen. Dit creëert een tussenbeeld van de opstelling, dat via spiegels naar een relaisunit wordt geleid. De unit projecteert het tussenbeeld met een vergroting van 50× in de vacuümkamer, waar de 2000 focuspunten als optische pincetten fungeren. Ter achtergrondinformatie: gefocusseerd licht oefent een aantrekkingskracht uit op atomen. Wanneer het focuspunt wordt verplaatst, bewegen de atomen mee. De Amerikaanse onderzoekers Arthur Ashkin en Steven Chu ontvingen de Nobelprijs voor de Natuurkunde voor hun bijdrage aan de uitvinding van optische pincetten.

De eerste vier laserstralen worden gesplitst in 2000 afzonderlijke stralen.

“Een van de uitdagingen was om de vier binnenkomende, gecollimeerde laserstralen – met een totaal vermogen van 20 W – te splitsen in 2000 individueel regelbare stralen met een gelijk vermogen”, aldus Martin Traub, groepsleider Optisch Ontwerp en Diode Lasers bij Fraunhofer ILT. Om dit te bereiken, gaat elke straal eerst door zogenaamde straalsplitsers. In de eerste stap buigen deze 20 procent van het licht af onder een hoek van 90° en laten de resterende 80 procent door naar een andere splitsingskubus, waar de straal opnieuw wordt gesplitst. Dit proces wordt vijf keer herhaald voor elke laserstraal, wat resulteert in 20 parallelle stralen met een gelijk vermogen. Deze passeren vervolgens akoestisch-optische deflectoren (AOD’s), waar ze worden gesplitst en door diffractie worden afgebogen naar een akoestisch geëxciteerd kristal. “De geluidsgolven veroorzaken een periodieke modulatie van de brekingsindex in het kristal”, legt hij uit.

Dit creëert een regelbaar optisch rooster waarin de afbuigingshoek van de uitgaande laserstralen kan worden gevarieerd via de geluidsfrequentie en de vermogensverdeling via de amplitude. Met 100 verschillende frequenties ontstaan ​​100 verschillende afbuigingshoeken; elk van de 20 binnenkomende laserstralen wordt door de AOD’s gesplitst in 100 substralen, die ook individueel kunnen worden aangestuurd.

Een op maat gemaakte, uiterst precieze stapspiegel

De overgang van de 100 subbundels naar individueel aanstuurbare laserfocuspunten vereist een reeks extra optische elementen. Eerst zet een Fourierlens de bundels om in een telecentrisch puntpatroon. Vanwege de grootte van de bundelsplitsers en AOD’s zou dit patroon echter veel te groot zijn om individuele atomen binnen de vereiste 3,5 µm afstand in de vacuümkamer te positioneren. Verdere optische vindingrijkheid is nodig: de 2000 laserbundels worden gericht op een gesegmenteerde spiegel met trapsgewijs oplopende stappen die steeds kleiner worden en uiteindelijk bestaan ​​uit spiegeloppervlakken van slechts enkele honderden micrometers groot. In deze cascade wordt de afstand tussen de spots gereduceerd tot minder dan 200 µm. Maar zelfs dat is niet genoeg; een verdere reductie van 50 keer is nodig.

“We hebben dit bereikt door het tussenliggende beeld via een periscoopspiegel naar een tweede vlak te leiden, waar een tweetraps telecentrische relaisunit het verkleint en in de vacuümkamer projecteert”, legt Traub uit. Om de vereiste afstand van enkele micrometers in de array te bereiken, heeft het team zijn uitgebreide expertise ingezet bij het systeemontwerp, de fabricage van de optische componenten, evenals de assemblage en uitlijning ervan. Een hexapodsysteem met zes actuatoren werd gebruikt om de spiegels met de benodigde precisie uit te lijnen. Dit systeem kan de spiegels in drie ruimtelijke richtingen en hoeken verstellen, een nauwgezette aanpak die nodig is omdat zelfs minimale afwijkingen in de uitlijning van de optische componenten zouden leiden tot een onjuiste afstand binnen de array. Dat zou de prestaties direct in gevaar brengen.