Zusammenfassung
Quantentechnologien eröffnen neue Möglichkeiten für Computing, Simulation und Kommunikation, doch jedes einzelne Quantensystem bringt eigene Stärken und Grenzen mit sich. Dieses Projekt verfolgt daher einen hybriden Ansatz: Einzelne Strontiumatome (Sr) und Strontiumfluorid-Moleküle (SrF) werden in optischen Pinzetten kombiniert und kontrolliert. Während Atome eine besonders präzise Kontrolle ermöglichen, bieten Moleküle zusätzliche Freiheitsgrade und vielversprechende Möglichkeiten zur Speicherung und Manipulation von Quanteninformation. Durch die gezielte Wechselwirkung beider Systeme soll eine neuartige hybride Quantenplattform entstehen, die ihre jeweiligen Vorteile vereint und neue Möglichkeiten für Quantencomputing und Quantensimulation eröffnet.
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D. Hoare, ICL
Einleitung
Neutrale Atome in optischen Pinzetten haben sich in den vergangenen Jahren zu einer leistungsfähigen Plattform für Quantentechnologien entwickelt. Einzelne Teilchen lassen sich präzise einfangen, anordnen, auslesen und dynamisch verschieben. Insbesondere Rydberg-Zustände ermöglichen starke und kontrollierbare Wechselwirkungen zwischen Atomen und bilden damit eine wichtige Grundlage für schnelle Quantenoperationen.
Polare Moleküle ergänzen diese Möglichkeiten durch eine komplexere interne Struktur und permanente elektrische Dipolmomente. Dadurch bieten sie zusätzliche Freiheitsgrade für die Speicherung und Verarbeitung von Quanteninformation sowie starke, langreichweitige Wechselwirkungen. Gleichzeitig ist ihre präzise Kontrolle experimentell anspruchsvoller als die von Atomen.
Die Kombination beider Systeme bietet daher einen vielversprechenden Weg, ihre jeweiligen Vorteile gezielt zusammenzuführen: die hohe Kontrollierbarkeit und technologische Reife atomarer Systeme mit den besonderen Eigenschaften polarer Moleküle. Optische Pinzetten bilden dabei eine gemeinsame technologische Basis, auf der Atome und Moleküle individuell kontrolliert und miteinander in Wechselwirkung gebracht werden können.
Ziele
Ziel des Projekts ist die Entwicklung einer hybriden Quantenplattform aus einzelnen Sr-Atomen und SrF-Molekülen in optischen Pinzettenarrays. Beide Teilchenarten sollen zunächst zuverlässig gefangen, kontrolliert und in flexibel konfigurierbaren Strukturen angeordnet werden.
Ein zentraler Schritt ist anschließend die kontrollierte Kopplung der beiden Systeme. Durch gezielte Laseranregung der Atome in Rydberg-Zustände sollen starke Wechselwirkungen zwischen Atomen und Molekülen nutzbar gemacht werden. Damit wollen wir untersuchen, wie Quanteninformation zwischen den unterschiedlichen Systemen übertragen und ihre jeweiligen Stärken innerhalb einer gemeinsamen Architektur genutzt werden können.
Langfristig soll so eine skalierbare und vielseitige Plattform entstehen, die neue Konzepte für Quantencomputing und Quantensimulation ermöglicht und dazu beiträgt, bestehende Grenzen einzelner Quantensysteme zu überwinden.
Dieses Projekt wird vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) im Rahmen des Projekts HybriQCS im Nachwuchswettbewerb „Quantum Futur“ gefördert.
