FermiQP Teilvorhaben "Prozessorskalierung und Konnektivität für FermiQP"

Abstract

Im Projekt Fermion-Quantenprozessor (FermiQP) verfolgen wir einen neuartigen Ansatz für skalierbares Quantencomputing und Quantensimulation, der auf ultrakalten fermionischen Lithium-6-Atomen in einem zweidimensionalen optischen Gitter beruht. Während sich die Qubit-Zahl vergleichsweise einfach über die Gitterparameter skalieren lässt, sind für die nutzbare Systemgröße und Prozesstiefe zwei Faktoren entscheidend: die erreichbare Temperatur (Entropie) des fermionischen Gases und die Konnektivität der Qubits. Die Güte der Initialisierung des Qubitregisters beruht auf dem Pauli-Prinzip und ist direkt mit der Temperatur verknüpft. Nur deutlich unterhalb der Fermi-Temperatur gelingt eine Initialisierung hoher Güte. Ebenso begrenzt die Temperatur den im analogen Quantensimulationsbetrieb zugänglichen Parameterbereich. Aufgabe des Tübinger Teilvorhabens war es, den seit zwei Jahrzehnten bei etwa 5% der Fermi-Temperatur bestehenden Temperaturrekord mit einem neuartigen Kühlkonzept zu unterschreiten: der sympathetischen Kühlung von Lithium-6 durch ein bosonisches Erbium-Gas. Das mehr als 25-fach schwerere Erbium ist ein ideales Kühlmittel mit hoher Wärmekapazität selbst bei sehr kalten Temperaturen. Seine tune-out-Wellenlänge bei 841nm erlaubt zudem vollständig differenzielle optische Fallen und damit ein freies Einstellen der für Lithium relevanten Energieskalen. Die zweite Aufgabe war die Entwicklung eines optischen Tweezersystems, das die volle Konnektivität der Architektur durch parallelen, Atomtransport mit minimalem Entropieeintrag zwischen beliebigen Registerplätzen realisiert. Dies erfolgte in Zusammenarbeit mit dem Forschungszentrum Jülich unter Einsatz optimaler Quantenkontrolle. Das Teilvorhaben leistet damit einen doppelten Beitrag zum Verbund: Das Erschließen neuer Temperaturbereiche und die Entwicklung einer zentrale Hardware-Komponente des Demonstrators. In diesem Bericht fassen wir diese Arbeiten zusammen.