Perspektiven der Quanteninformationsverarbeitung mit Rydbergionen

Kalte gefangene Ionen gehören zu den am weitesten entwickelten Systemen für Quanteninformationsverarbeitung. In laufenden Experimenten wird Verschränkung zwischen Quanten-Bits, die in internen langlebigen Zuständen gespeichert werden, über die Kontrolle der gemeinsamen Schwingungsmoden des Ionenkristalls erreicht. Im Gegensatz hierzu schlagen wir hier ein neuartiges experimentelles Programm vor, das von theoretischer Arbeit unterstützt wird. Hierbei bilden enorme Dipolmomente von in Rydberg-Zustände angeregten Ionen die Grundlage für extrem starke spinabhängige und langreichweitige Wechselwirkungen. Diese erlauben insbesondere die Realisierung außergewöhnlich schneller verschränkender Gatteroperationen als Grundbausteine für Quantenrechenprozesse sowie für Quantensimulationen. Auf kurzfristiger Zeitskala gilt es den grundlegenden Fragen nachzugehen, die dem Verständnis der Anregung von einzelnen und mehreren in einer Paul-Falle gefangenen Ionen in Rydberg-Zustände dienen, sowie die verschiedenen Möglichkeiten zu untersuchen, wie das Verhalten der Ionen mit äußeren elektromagnetischen Feldern kontrolliert und manipuliert werden kann. Längerfristig stellt dieses Projekt einen vielversprechenden Ansatz dar, um einen sehr schnellen und auf größere Systeme erweiterbaren (skalierbaren) Quantenprozessor mit Ionen zu realisieren. Dies beinhaltet insbesondere die Entwicklung neuer Verfahren zur Quantensimulation. Der Beitrag des Innsbrucker Teams zum Konsortium wird einen Schwerpunkt auf der theoretischen Erforschung von langfristigen Perspektiven haben, die Rydbergionen für skalierbare Quanteninformationsverarbeitung und Quantensimulation bieten. In diesem Zusammenhang wird Innsbruck den Hauptteil der Entwicklung neuer Zwei- und Mehrteilchen-Gatter unter Verwendung von Rydberg-Wechselwirkungen leisten. Hier besteht das Ziel darin, äußere Mikrowellen- und Laserfelder zu verwenden, um die Wechselwirkungen zwischen energetisch gut isolierten Rydberg-Zuständen, in denen effektive Spin- oder Qubit-Freiheitsgrade kodiert sind, zu steuern und maßzuschneidern. Zuerst wird der Gültigkeitsbereich der Beschreibung des Systems durch effektive Spins untersucht, und zwar durch eine quantitative Untersuchung der wesentlichen Fehlerquellen wie beispielsweise thermische Bewegung der Ionen, radiativer Zerfall aus angeregten Rydberg-Zuständen oder unerwünschte Kopplung an energetisch nahgelegene Zustände. Darauf aufbauend werden dann neuartige Verfahren entwickelt werden, die zur Erzeugung von Verschränkung zwischen mehreren Ionen über die Rydberg-Blockade genutzt werden können. Desweiteren werden Schemata zur Quantensimulation kohärenter sowie dissipativer Dynamik von Spinmodellen mit Rydbergionen untersucht und ausgearbeitet werden. Darüber hinaus wird Innsbruck die Führungsrolle bei der Erkundung des Potentials schneller und langreichweitiger Rydberg-Gatteroperationen als Schlüsselelement zur Verbindung von Ionen über Distanzen von mehr als zehn Mikrometern übernehmen, die beispielsweise in benachbarten Mikrofallen gespeichert sein können. Solche Protokolle zur Verschränkungserzeugung könnten eine Alternative darstellen zum räumlichen Transport (Shuttling) von Ionen. Dies könnte somit Entwicklungen und Anstrengungen, die in Hinblick auf das langfristige Ziel skalierbarer Quanteninformationsverarbeitung mit Ionen-Fallen unternommen werden, entscheidend ergänzen.

Kalte gefangene Ionen gehören zu den am weitesten entwickelten Systemen für Quanteninformationsverarbeitung. In laufenden Experimenten wird Verschränkung zwischen Quanten-Bits, die in internen langlebigen Zuständen gespeichert werden, über die Kontrolle der gemeinsamen Schwingungsmoden des Ionenkristalls erreicht. Im Gegensatz hierzu schlagen wir hier ein neuartiges experimentelles Programm vor, das von theoretischer Arbeit unterstützt wird. Hierbei bilden enorme Dipolmomente von in Rydberg-Zustände angeregten Ionen die Grundlage für extrem starke spinabhängige und langreichweitige Wechselwirkungen. Diese erlauben insbesondere die Realisierung außergewöhnlich schneller verschränkender Gatteroperationen als Grundbausteine für Quantenrechenprozesse sowie für Quantensimulationen. Auf kurzfristiger Zeitskala gilt es den grundlegenden Fragen nachzugehen, die dem Verständnis der Anregung von einzelnen und mehreren in einer Paul- Falle gefangenen Ionen in Rydberg-Zustände dienen, sowie die verschiedenen Möglichkeiten zu untersuchen, wie das Verhalten der Ionen mit äußeren elektromagnetischen Feldern kontrolliert und manipuliert werden kann. Längerfristig stellt dieses Projekt einen vielversprechenden Ansatz dar, um einen sehr schnellen und auf größere Systeme erweiterbaren (skalierbaren) Quantenprozessor mit Ionen zu realisieren. Dies beinhaltet insbesondere die Entwicklung neuer Verfahren zur Quantensimulation. Der Beitrag des Innsbrucker Teams zum Konsortium wird einen Schwerpunkt auf der theoretischen Erforschung von langfristigen Perspektiven haben, die Rydbergionen für skalierbare Quanteninformationsverarbeitung und Quantensimulation bieten. In diesem Zusammenhang wird Innsbruck den Hauptteil der Entwicklung neuer Zwei- und Mehrteilchen- Gatter unter Verwendung von Rydberg-Wechselwirkungen leisten. Wir haben gezeigt, dass die extrem große Polarisierbarkeit von ionischen Rydberg-Zustände zu starken mechanischen Kräften während des Anregungsprozesses führt. Dieser Mechanismus ist nützlich im Zusammenhang mit dynamischen Modendesign. Es erlaubt die Aufteilung großer Ionenkristalle in kleinere Subkristalle, in denen jeweils Quanteninformationsverarbeitungsprotokolle unabhängig und parallel ausgeführt werden können. Des weiteren untersuchten wir theoretisch die Möglichkeit langreichweitige Dipolwechselwirkungen für die Erstellung von schnellen und robusten Quantengatter zu verwenden. Wir haben gezeigt, dass die Stärke dieser Wechselwirkung mit Mikrowellenfelder gesteuert werden kann und haben theoretisch die Machbarkeit eines Zwei-Qubit-Gate auf der Grundlage dieses Mechanismus demonstriert. Dieser Mechanismus und das dynamische Modendesign könnten eine wichtiger Schritt hin zu einer skalierbaren Quanteninformation und Simulationsarchitektur in einer Ionenfalle Einstellung sein.Darüber hinaus untersuchten wir diese Methode um einen Quantensimulator zur Untersuchung von exotischen Quantenmagnetismus in einem zweidimensionalen System aus gefangenen Ionen zu implementieren. Dazu verwendeten wir die ändernden Fallenfrequenzen von Ionen wenn sie in einen Rydberg-Zustand angeregt werden. Alternativ kann man auch einen Pinning-Laser zu verwenden, um lokalisierte Moden, die exotische Plaquette- Wechselwirkungen zwischen den Ionen in einem hexagonalen Ring verwirklichen, erstellen. Solche Wechselwirkungen verhängen nicht-lokale energetische Bedingungen. Dies ermöglicht es, eine Reihe von interessanten Modellen, zum Beispiel 1) das Balents-Fisher-Girvin Modell, bei dem eine sogenannte topologische Spin-liquid Phase vorausgesagt wurde, 2) ein Bose Metall in einem Wabengitter mit XY-Wechselwirkungen oder 3) Gitter Implementierungen für U (1) Gittereichtheorien, zu implementieren. Darüber hinaus können exotische Spin-Modellen auch über sogenanntes Rydberg-Dressing umgesetzt werden. Wir untersuchten diesen Ansatz im Detail und zeigten wie eine Reihe von Spin-Modelle relevant für Quantenmagnetismus damit implementiert werden können. Dabei schlugen wir eine Realisierung von Quanten-Spineis in einem zweidimensionalen optischen Gitter mit ultrakalten Rydberg-Atomen / Ionen vor, dessen Niederenergiephysik von einem sogenannten emergent Eichfeld bestimmt wird.