QRydDemo - Qantencomputer mit Rydbergatomen; Thema des Teilprojekts: Speziallasersysteme für atomare Quantenprozessoren

Abstract

Das Verbundprojekt „Quantencomputer mit Rydberg Atomen (QRydDemo)“ wurde im Rahmen des Vorhabens „Quantenprozessoren und Technologien für Quantencomputer“ innerhalb der Bekanntmachung „Quantentechnologien – von der Grundlage zum Markt“ vom BMBF gefördert. Koordiniert wurde der Verbund vom 5. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart (PI5) durch Prof. Tilman Pfau. Neben dem Projektkoordinator waren das 3. Institut für Theoretische Physik der Universität Stuttgart (ITP3) und die Universität Ulm als akademische Partner beteiligt. Die TOPTICA Photonics SE war als Industriepartner im Konsortium beteiligt. Koordiniert und geleitet wurde das Projekt bei der TOPTICA Photonics SE durch Dr. Jürgen Stuhler, Dr. Lukas Reichsöllner und Dr. Florian Figge. Nach dem Ausscheiden von Dr. Reichsöllner übernahm Dr. Christoph Tresp dessen Rolle. Der Forschungsverbund hatte sich zum Ziel gesetzt einen Quantencomputer-Demonstrator auf der Plattform neutraler Strontium-Atome durch die Nutzung der starken und langreichweitigen Rydberg-Rydberg-Wechselwirkung zu realisieren. Diese Plattform gilt als vielversprechend bezüglich der Skalierbarkeit in der Anzahl an Qubits und der Geschwindigkeit von Gatteroperationen. Für dieses Vorhaben steuerte die TOPTICA Photonics SE im Teilprojekt „Speziallasersysteme für atomare Quantenprozessoren“ Arbeitspakete zur Realisierung von maßgeschneiderten Lasersystemen für den Einsatz im Quantencomputer-Demonstrator bei. Insbesondere die Ausnutzung eines neuartigen Raman-Qubits erforderte dabei die Verwendung von Hochleistungslasern mit mehreren Watt optischer Leistung im grünen (540 nm) und gelben (592 nm) Wellenlängenbereich, um das Fangen einzelner Strontium-Atome in optischen Pinzetten (Tweezer) zu ermöglichen. Die TOPTICA Photonics SE bietet in diesem Wellenlängenbereich rauscharme frequenzverdoppelte Diodenlasersysteme an. Aufgrund des halbleiterbasierten Verstärkerkonzepts in den kommerziellen Lasersystemen können diese nicht in den benötigten Leistungsbereich skaliert werden. Aus diesem Grund wurden im Rahmen des Forschungsprojekts Konzepte zur Realisierung von faserverstärkten Diodenlasern und deren Frequenz-Verdopplung untersucht, um die benötigten Leistungen bei niedrigem Intensitätsrauschen zu erreichen. Um die Zustände der einzelnen Atome im Demonstrator mit höchster Genauigkeit manipulieren zu können werden Lasersysteme mit geringem Phasenrauschen und hoher spektraler Reinheit benötigt. Die von der TOPTICA Photonics AG vertriebenen gitterstabilisierten Diodenlaser weisen typischerweise Linienbreiten von mehreren 10 bis 100 kHz auf. Diese sind für die Realisierung eines Quantencomputer-Demonstrators nicht ausreichend. Zwar kann die Linienbreite durch die Stabilisierung auf eine externe Referenz reduziert werden, allerdings auf Kosten sogenannter Servo-Bumps (Regeloszillationen). Um dieses Problem zu reduzieren, wurde einerseits die intrinsische Linienbreitenreduktion eines Diodenlasers erforscht. Andererseits wurde die schmalbandige Filterung von Frequenzrauschen mit einem Fabry-Perot Resonator untersucht. Darüber hinaus wurde die breitbandige Filterung von verstärkter spontaner Emission in Trapezverstärkern mit Hilfe geeigneter optischer Filter analysiert und der resultierende Einfluss auf die relative Energieverschiebung von Energieniveaus gefangener Atome bestimmt.