Quantencomputing AWG-Karte hilft bei der präzisen Manipulation von Atomen

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Mit einer AWG-Messkarte und einem akustisch-optischen Deflektor haben Forscher gezeigt, wie Atome präzise und kontrolliert manipuliert werden können. Das ermöglicht die Entwicklung von Quantencomputern, die mit stabileren und effizienteren Qubits arbeiten.

Für den Bau eines Quantencomputers gibt es verschiedene Wege: Die Forscher der RPTU Kaiserslautern haben im Rahmen des Rymax-One-Konsortium einen besonders spannenden Weg eingeschlagen: die präzise Anordnung einzelner Atome in einem Raster, um diese als Qubits zu verwenden. Der Ansatz, einzelne Atome als Qubits zu nutzen, hat mehrere Vorteile. Atome sind von Natur aus identisch und können in sehr stabilen Zuständen gehalten werden. Das macht sie ideal für die Rolle der Qubits, die die Grundrecheneinheiten eines Quantencomputers darstellen.

Ein Laserstrahl auf jedes Atom

Das Problem dabei ist, jedes Atom einzeln zu bewegen und es präzise an seiner Position zu halten. Dazu wird auf jedes Atom ein Laserstrahl gerichtet, der das Atom in der Mitte des Strahls einfängt und dabei wie eine optische Pinzette wirkt. Allerdings erfordert die punktweise Bewegung des Laserstrahls derzeit einen hohen Programmieraufwand und große Datenmengen. Durch den Einsatz der DDS-Option (Direct Digital Synthesis) von Spectrum Instrumentation konnte dieser Aufwand nun sehr stark reduziert werden, wobei die Position des Lasers mit wenigen einfachen Befehlen definiert wird.

Diplom-Physiker Jonas Witzenrath sagt: „Mit der neuen DDS-Option konnten wir die Komplexität unseres Systems stark reduzieren, sodass wir uns jetzt auf dessen Weiterentwicklung konzentrieren können. Im nächsten Schritt wollen wir die Atome im statischen zweidimensionalen Raster neu anordnen und dafür werden wir die dynamischen Fähigkeiten der DDS-Firmware nutzen.“

Dabei wollen die Forscher außerdem mit den verwendeten Abiträrgeneratoren (AWGs) von Spectrum Instrumentation, auf denen die neue DDS-Option implementiert ist, ideale UV-Laserimpulse formen. Mit diesen Laserimpulsen könnten dann die Wechselwirkungen zwischen den Qubit-Atomen präzise gesteuert werden.

Direct Digital Synthesis vielfältig einsetzbar

„DDS ist zu einem wichtigen Werkzeug in unserem Projekt geworden und wir können es tatsächlich auch für andere Zwecke im Labor verwenden, weil es sehr flexibel ist. DDS lässt sich auch bei gepulsten Lasern oder bei der Chirp-Erzeugung verwenden. So vermeiden wir teure und spezielle Ausrüstung. Spectrum Instrumentation hat uns bei der Entwicklung ihrer DDS-Option sehr eng eingebunden, was für beide Seiten höchst vorteilhaft war. Jetzt arbeiten wir daran, die Einsatzmöglichkeiten der DDS-Option zu erweitern, damit auch andere Labore davon profitieren können.“

„AWGs mit hoher Samplingrate haben grundsätzlich das Problem von Latenzen in der Größenordnung von mehreren zehn Millisekunden oder großem Jitter, was zu Ungenauigkeiten und längeren Verarbeitungszeiten führt, wenn das System Korrekturen durchführt. Die neue DDS-Firmware ermöglicht es den AWGs von Spectrum, Befehle innerhalb von zwanzig Mikrosekunden zu generieren. Aufgrund des intrinsischen Timings sind die Befehle damit praktisch jitterfrei“, sagt Witzenrath.

S-förmige Frequenzrampen minimieren Erwärmung

In einem der Experimente werden die Wellenformen der AWG-Karte M4i.6631-x8 zu einem AOD (Acousto-Optic Deflector) geleitet, der dann einen Laser in viele einzelne steuerbare Laserstrahlen aufsplittet, wobei jeder Strahl ein einzelnes Atom einfängt und festhält. Der AOD wird mit einem HF-Signal von 82 MHz angesteuert.

Im aktuellen Versuchsaufbau bewirkt eine Veränderung von 1 MHz, dass der Laserstrahl das Atom innerhalb eines Zeitraums von 100 μs um eine Entfernung von etwa 8 μm bewegt, wobei S-förmige Frequenzrampen verwendet werden, um die Erwärmung des Atoms zu minimieren. Während dieser Zeit wird die Amplitude des Signals linear geändert, um Änderungen der Lichtintensität auszugleichen.

Direct Digital Synthesis (DDS)

Neue Funktionen: Mehrträgersignale und benutzerdefinierte Wellenformen

Digitizer und AWG-Karten

Digitale Impulsgenerator-Option für präzise Signalerzeugung und -steuerung

(heh)

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