Optimale Kontrollverfahren für FermiQP

Abstract

Das Vorhaben betraf die Entwicklung optimaler Kontrollverfahren für zentrale Operationen des FermiQP-Quantenprozessors. Im Mittelpunkt standen zwei Kontrollaufgaben, die für neutrale Atome in optischen Potentialen unmittelbar relevant sind: der schnelle und präzise Transport einzelner Atome sowie die Realisierung schneller kollisionsbasierter Zwei-Qubit-Gatter. Beide Aufgaben stellen ähnliche Anforderungen an die Theorie und die numerische Modellierung. Die Kontrollsequenzen sollen kurz sein, damit Dekohärenz und technische Störungen möglichst wenig Zeit haben, sich auszuwirken. Zugleich dürfen sie die Atome nicht unerwünscht in Bewegungszustände außerhalb des vorgesehenen Rechenraums anregen. An diesen wissenschaftlich-technischen Stand knüpfte das Projekt an: optimale Quantenkontrolle, effiziente Simulation quantenmechanischer Bewegung und die enge Abstimmung mit experimentellen Randbedingungen wurden zusammengeführt, um praktisch nutzbare Kontrollsequenzen für den FermiQP-Demonstrator zu erhalten. Der Ablauf des Vorhabens folgte dieser Zielsetzung. Zunächst wurden gemeinsam mit den experimentellen Partnern die relevanten Modelle, Systemparameter, Kontrollfreiheitsgrade und Schnittstellen zur experimentellen Steuerung herausgearbeitet. Für den Atomtransport betraf dies insbesondere den Transfer einzelner Atome zwischen statischen optischen Fallen mit Hilfe einer bewegten optischen Pinzette. Für die Zwei-Qubit-Gatter standen Kollisionsprozesse in optischen Gittern beziehungsweise Doppeltopf-Potentialen im Vordergrund. Darauf aufbauend wurden Simulationsprogramme implementiert und mit Optimierungsverfahren verbunden. In späteren Projektphasen wurden die Modelle verfeinert, Robustheit und Kalibrierbarkeit untersucht und Methoden betrachtet, mit denen programmierte Kontrollsignale an die tatsächliche Wirkung der experimentellen Hardware angepasst werden können. Die Arbeiten erfolgten im Austausch mit den Partnern an der Universität Tübingen für den Atomtransport und am Max-Planck-Institut für Quantenoptik für die Zwei-Qubit-Gatter.