Quantumfehlerkorrektur mit einzelnen Molekülen

Quantencomputer können komplexe Rechenprobleme viel schneller lösen als klassische Computer. Allerdings sind alle existierenden Implementationen des Quantencomputers anfällig für Störungen und benötigen daher Quantenfehlerkorrekturen (QEC) um lange Algorithmen zuverlässig zu berechnen. Die Information wird dabei auf mehrere Teilchen verteilt, um sie redundant zu speichern. Für diese Technik wird eine hohe Anzahl an Quantenbits benötigt, die zum jetzigen Stand und vermutlich auch in naher Zukunft eine große technologische Herausforderung darstellt. Vor kurzem wurde eine Familie von effizienten Fehlerkorrekturalgorithmen vorgestellt, die Quanteninformation redundant in einzelnen Molekülen speichern. Im Zuge dieses Projekts soll eine effiziente Implementation der Quantenfehlerkorrektur mit einzelnen Molekülen demonstriert werden. Wir wollen die experimentelle und theoretische Grundlage für ein auf molekularen, externen Freiheitsgarden basierendes Fehlerkorrekturschema schaffen. Es soll ein fehlertolerantes System entwickelt werden, dass nicht-klassische Zustände erzeugen und komplexe Observablen wie Fehlersyndrome auslesen kann. Ebenfalls werden Mechanismen untersucht die fehlertolerante Quantenoperationen zwischen zwei Molekülen ermöglichen, wobei jedes Molekül ein logisches Quantenbit darstellt. Der experimentelle Aufbau besteht aus einem Ionenfallen-Quantencomputer, für den atomare und molekulare Ionen simultan gefangen werden. Die ausgezeichnete Kontrolle atomarer Ionen soll über Quantenlogiktechniken auf das mitgefangene molekulare Ion transferiert werden. Dadurch können die Moleküle in reinen Zuständen präpariert und Informationen über Fehlerprozesse erlangt werden. Wir werden die Technik der Freuqenzkamm-Spektroskopie anwenden, um auf verschiedene externe Freiheitsgrade des Moleküls zuzugreifen. Ein experimentell realisierbares, ressourceneffizientes Fehlerkorrekturschema kann die Basis für neue Entwicklungen legen und somit das ganze Feld der Quantenberechnung verändern. Die Kombination von robusten Quantenzuständen mit molekularen Systemen könnte Präzisionsexperimente, wie die Messung des elektronischen Dipolmoments, drastisch verbessern. Die Erzeugung von robusten Zuständen verschiedener molekularer Freiheitsgrade kann die Grundlage für die Kontrolle von zustandsselektiven chemische Reaktionen bilden und dadurch neue Forschungsbereiche in der Physik, Chemie und Biologie erschließen.

Die Quanteninformatik, bei der die Informationen und die Operationen, die auf sie einwirken, Quantencharakter haben, ermöglicht die Lösung bestimmter Klassen von Problemen, die für klassische Computer nicht zugänglich sind. Experimente, bei denen versucht wird, dieses Potenzial zu nutzen, unterliegen dem durch die Umgebung verursachten Rauschen, welches die Größe der durchführbaren Berechnungen begrenzt. Die Quantenfehlerkorrektur (QFK) kann die Informationen vor diesem Rauschen schützen. Wir untersuchten, ob es möglich ist, Quanteninformationen in der Rotation von Molekülen zu kodieren. Wir haben Strategien entwickelt, um solche kodierten Informationen vor dem durch die thermische Hintergrundstrahlung verursachten Rauschen zu schützen. Dieses allgegenwärtige Infrarotlicht kann die Rotation eines Moleküls stören und die kodierte Information verändern. Wir simulierten QFK-Strategien für Codes, die kürzlich von S. Jain et al. im Jahr 2023 entwickelt wurden. In diesen Simulationen fanden wir heraus, dass QFK die kodierten Informationen so schützen kann, dass sie länger überleben, als wenn sie ungeschützt bleiben. Wir haben experimentelle Möglichkeiten entwickelt, um die QFK in einer Vakuumkammer gefangenes Molekül-Ion umzusetzen. Diese Techniken dienen der Vorbereitung, Manipulation, und Korrektur eines Rotationszustands, sobald er durch die Umgebung gestört wird. Zu den in der Entwicklung befindlichen Techniken gehören Frequenzkamm-Raman, kontinuierliche Laserstrahlung (CW) Raman und Quantenlogische-Spektroskopie. Ein Frequenzkamm ist ein Lasersystem, dessen Spektrum viele gleichmäßig verteilte schmale Linien aufweist. Bei einem Raman-Prozess werden Übergänge in einem Atom oder einem Molekül durch einen Zwei-Photonen-Prozess ausgelöst, wobei die Energie des Übergangs mit der Frequenzdifferenz der beiden Photonen zusammenhängt. Frequenzkamm-Raman nutzt zwei Strahlen eines Frequenzkamms, um die Rotation von Molekülen über Raman-Wechselwirkungen zu manipulieren, und kann Frequenzunterschiede bis zu einigen Terahertz erreichen. Dies kann Übergänge zwischen Rotationszuständen in vielen Arten von Molekülen ermöglichen. Wir haben ein solches System aufgebaut und getestet, indem wir Einstrahl-Raman-Übergänge zwischen elektronischen Zuständen in einem gefangenen Kalzium-Atom-Ion verwendeten. Beim CW-Raman-Verfahren werden zwei Zweige eines CW-Lasers verwendet, die in ihrer Frequenz um einige hundert Megahertz verschoben werden. Obwohl dieser Frequenzunterschied zu klein ist, um Rotationsübergänge in vielen Molekülen zu erzeugen, kann er magnetische Unterzustände manipulieren, die in der Gegenwart eines Magnetfeldes entstehen. Diese Unterzustände bilden die Grundlage für die Kodierung logischer Informationen für die in dieser Arbeit untersuchten QFK-Codes. Wir haben ein CW-Raman-System aufgebaut und es kürzlich ausgerichtet, es wurde jedoch vor Abschluss dieses Projekts nicht getestet. Nach einigen Vorstudien wählten wir das Calciummonohydroxid-Ion als das Molekül, in dem wir QFK implementieren wollten. Da dieses Molekül weitgehend unerforscht ist, charakterisierten wir zunächst die elektronischen Eigenschaften dieses Moleküls dahingehend, wie Licht zu Dissoziation führen kann. Dieses Experiment bestätigte auch die Fähigkeit unseres Versuchssystems, Molekül-Ionen zu bilden und sie zusammen mit Atom-Ionen einzufangen.