Measuring a single atom's position with extreme sub-wavelength resolution and force measurements in the yoctonewton range

02.08.2024

Die Position des Massenschwerpunkts eines einzelnen gefangenen Ions wird mit hoher Präzision gemessen und zeitlich verfolgt. Unter Verwendung eines nahezu resonanten Hochfrequenzfeldes der Wellenlänge 2,37 cm und eines statischen Magnetfeldgradienten von 19 T/m wird die räumliche Position des Ions mit einer beispiellosen wellenlängenbezogenen Auflösung von 5 × 10^-9 bestimmt, was einer absoluten Präzision von 0,12 nm entspricht. Messungen einer elektrostatischen Kraft auf ein einzelnes Ion zeigen eine Empfindlichkeit von 2,2 × 10^-23 N/√Hz. Die Echtzeitmessung der Position eines Atoms ergänzt die etablierte Technik der Nahfeld-Rastertransmissionsmikroskopie und eröffnet einen neuen Weg, diese Methode mit einer bahnbrechenden Orts- und Kraftauflösung zu nutzen.

Fast, robust and laser-free universal entangling gates for trapped-ion quantum computing

26.06.2024

Wir haben ein neuartiges, Hochfrequenz-gesteuertes Quantengatter theoretisch entwickelt und experimentell umgesetzt. Dieses 2-Qubit-Gatter ist um eine Größenordnung schneller als bisherige RF-gesteuerte Gatter in einem statischen magnetischen Gradientenfeld. Darüber hinaus verfügt dieses Gatter über einen eingebauten Schutz gegen externe elektromagnetische Rauschfelder. Es benötigt nur ein einziges HF-Antriebsfeld pro Qubit; dies ist für die technologische Skalierung von Quantenprozessoren mit gespeicherten Ionen ein wesentlicher Vorteil. Verbesserte Ionenspeicher werden die Geschwindigkeit dieses Gatters auf das gleiche Niveau bringen wie Laser-gesteuerte Gatter und so beste Voraussetzungen für die Skalierbarkeit von Quantenprozessoren mit gespeicherten Ionen schafft. Darüber hinaus eröffnen schnelle und robuste HF-gesteuerte Verschränkungsgatter neue Möglichkeiten für grundlegende physikalische Untersuchungen, z. B. mit Hilfe der Quantenlogik-Spektroskopie oder für grundlegende Studien zur Verschränkung von Quantensystemen.

Classical half-adder using trapped-ion quantum bits: Towards energy-efficient computation

21.11.2023

Reversible Berechnungen auf Quantencomputern sind eine aussichtsreiche Methode für energieeffiziente Berechnungen. In dieser Arbeit demonstrieren wir klassische Logik- Operationen, die auf einem Quantensystem ausgeführt werden und damit reversibel sind. Insbesondere realisieren wir klassische Toffoli- und Halbaddierer-Schaltungen unter Verwendung von mikrowellengesteuerten 171Yb+ Ionen-Hyperfein-Qubits gespeichert in einer linearen Paul-Falle. Diese 3-Qubit-Schaltungen werden durch aktive Steuerung eines einzigen Qubits mit Hilfe einer beständig wirkenden Qubit-Qubit-Wechselwirkung erzeugt. Wir untersuchen den Energiebedarf der logischen Gatter sowohl theoretisch als auch experimentell und identifizieren Engpässe sowie mögliche Verbesserungen für zukünftige Plattformen um energieeffiziente Berechnungen zu realisieren. Unser experimentell verifiziertes energetisches Modell schließt eine Lücke in der Literatur über die Energetik der Quanteninformation und skizziert den Weg für detaillierte weitere Untersuchungen sowie ihre potenziellen Anwendungen. Veröffentlicht unter einer exklusiven Lizenz von AIP Publishing.

Robust two‐qubit gates using pulsed dynamical decoupling

20.11.2023

Hier stellen wir die experimentelle Implementierung eines Zwei‐Qubit‐Phasengatters vor. Das mikrowellengesteuerte Gatter wird durch eine gepulste dynamische Entkopplungssequenz erzeugt. Die bedingte Phasenverschiebung wird im Rahmen dieser Arbeit mit einer Ramsey‐Messung mit einem abgeleiteten Kontrast von bis zu 99⁺¹₋₂% quantifiziert. Dieses Phasengatter wurde verwendet um einen Bell‐Zustand zu erzeugen. Das Phasengatter ist robust gegenüber gängigen Fehlerquellen. Wir untersuchen insbesondere die Auswirkung der Anregung der Bewegungsmoden, Fehler in der axialen Fallenfrequenz, Pulsflächenfehler und Fehler im Sequenz‐Timing. Der Kontrast des Phasengatters bleibt bis zu einer Anregung <20 Phononen, Fallenfrequenzfehlern von +10%, und Pulsflächenfehlern von ‐8% erhalten. Die Phasenverschiebung wird von bis zu <10 Phononen und Pulsflächenfehlernvon ‐2% nicht beeinflusst. Sowohl der Kontrast als auch die Phasenverschiebung sind robust gegenüber Zeitfehlern von bis zu ‐30% und +15%.Die hier vorgestellte Gatterimplementierung ist effizient, da nur ein einziges Mikrowellenfeld pro Ion benötigt wird. Darüber hinaus bietet sie das Potenzial für hohe Gattergeschwindigkeiten, indem zwei axiale Bewegungsmoden eines Zwei‐Ionen‐Kristalls simultan verwendet werden.

Beschleunigung komplexer Bildverarbeitungsaufgaben auf Quantencomputern

01.03.2022

Das Korrespondenzproblem ist eine fundamentale Herausforderung in der maschinellen Bildverarbeitung, bei der Stützpunkte eines 2D- oder 3D-Körpers einem anderen zugeordnet werden. Es handelt sich dabei um ein kombinatorisches Optimierungsproblem, das auf klassischen Computern viel Zeit in Anspruch nimmt. In der Publikation Q-Match: New approach for shape matching with Quantum Annealing demonstrieren wir einen neuen Quantum Computing Ansatz, genannt Q-Match, der es ermöglicht, Probleme zu lösen, die um eine Größenordnung größer sind.

Projektstart ATIQ: Implementierung von Quantenalgorithmen aus Chemie und Finanzwesen

28.02.2022

Im Projekt „Quantencomputer mit gespeicherten Ionen für Anwendungen“ (ATIQ) werden Quantencomputer-Demonstratoren gemeinsam mit Anwendern entwickelt. Dabei gehen die 25 Projektpartner große technische Herausforderungen an, um deutsche Quantencomputer-Demonstratoren zu realisieren und Nutzern im 24/7 Betrieb zugänglich zu machen. Die führenden Gruppen der Ionenfallenforschung an den Universitäten in Hannover/Braunschweig, Siegen und Mainz haben sich hierzu mit weiteren führenden Forschungseinrichtungen und Industriepartnern zusammengeschlossen. Das Projekt wird vom Bundesforschungsministerium gefördert. ATIQ birgt in der Tat ein enormes wirtschaftliches und wissenschaftliches Erfolgspotenzial. Quantencomputer versprechen ungekannte Rechenpower für Anwendungen, an denen auf rein digitale klassische Hochleistungsrechner Rechner alleine komplett scheitern. Die Kombination von klassischem Hochleistungsrechner und Quantencomputer dagegen eröffnet vollkommen neue Möglichkeiten. Es besteht daher dringender Bedarf für Deutschland, robuste und skalierbare Quantenhardware zur Verfügung zu stellen. Das ATIQ Konsortium zielt auf optimierte Hardware für Anwendungen in der Chemie. Neuartige chemische Substanzen und die Reaktionen zu deren Herstellung könnten dann auf Quantencomputern simuliert werden. Ein anderer Anwendungsfall liegt im Finanzwesen, wo völlig neue Wege in der Kreditrisikobewertung beschritten werden. Der Kern des Quantenprozessors in ATIQ basiert auf der Ionenfallen-Technologie, die weltweit als eine der vielversprechendsten Wege zum Quantencomputer angesehen wird. Allerdings sind die derzeitigen Systeme noch komplexe Labormaschinen mit erheblichen Wartungs- und Kalibrierungsaufwand durch hochqualifiziertes Personal. ATIQ adressiert die technischen Herausforderungen, um einem Dauerbetrieb zu bewerkstelligen mit zuverlässigen Rechenoperationen hoher Qualität. Die ATIQ-Partner optimieren in Zusammenarbeit mit Technologie- und Industriepartnern dazu die Ansteuerung der Prozessoren mit elektronischen und optischen Signalen und wollen so eine hohe Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit erreichen, damit externe Nutzer Rechenalgorithmen selbständig ausführen können. Außerdem verspricht eine solche Optimierung auch die Hochskalierung der Quantendemonstratoren von zunächst 10 auf schließlich mehr als 100 Qubits. Die Stärke des Konsortiums beruht auf dem Wissen als Entwickler der Ionenfallentechnologie und der physikalischen und technischen Grundlagen an den beteiligten Universitäten und Forschungseinrichtungen.

Weitere Partner sind: Leibniz-Universität Hannover, Johannes Gutenberg-Universität Mainz, TU Braunschweig, RWTH Aachen, Physikalisch-Technische Bundesanstalt und Fraunhofer-Gesellschaft.

Die Unternehmen sind: AMO GmbH, AKKA Industry Consulting GmbH, Black Semiconductor GmbH, eleQtron GmbH, FiberBridge Photonics GmbH, Infineon Technologies AG, JoS QUANTUM GmbH, LPKF Laser & Electronics AG, Parity Quantum Computing Germany GmbH, QUARTIQ GmbH und Qubig GmbH und die TOPTICA Photonics AG.

Assoziierte Partner sind: AQT Germany GmbH, Boehringer Ingelheim, Covestro AG, DLR-SI, Volkswagen AG und QUDORA Technologies GmbH.

Vorreiter in der Quanteninformationsverarbeitung

28.02.2022

Die Frankfurter Allgemeine Sonntagszeitung berichtete im Artikel "Quantentechnologien in NRW" über die aktuellen Forschungsvorhaben an der Universität Siegen, sowie weiteren Forschungsstandorten in ganz NRW. An der Universität Siegen, in der Forschungsgruppe von Prof. Dr. Christof Wunderlich wurde der erste deutsche Quantencomputer im Jahr 2010 in Betrieb genommen. Dieser beruht auf dem MAGIC (Magnetic Gradient Induced Coupling) Prinzip, welches erlaubt kommerzielle Hochfrequenztechnik für die Qubitsteuerung einzusetzen. Außerdem ermöglicht es Operationen an einzelnen Qubits mit bisher unerreichter Güte bei gleichzeitig minimalem Übersprechen sowie hoher Konnektivität zwischen den Qubits.

„Die deterministische Kontrolle einzelner Quantensysteme führt zu einem neuen Paradigma in der Verarbeitung von Information.“ PROF. DR. CHRISTOF WUNDERLICH, UNIVERSITÄT SIEGEN

MAGIC-Quantencomputer für Industrie und Wissenschaft: Startschuss für Forschungsprojekt

17.05.2021

Das vom BMBF geförderte Verbundprojekt MIQRO zwischen der Universität Siegen, der Leibniz Universität Hannover, der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf , der QUARTIQ GmbH sowie der eleQtron GmbH als assoziiertem Partner ist auf 4 Jahre angelegt. Der in diesem Projekt entwickelte und betriebene Quantencomputer wird auf tausend Quantenbits skalierbar sein und damit vielfältigen industriellen und akademischen Anwendungen den Weg bereiten, die jenseits der Möglichkeiten von klassischen Supercomputern liegen. Das MIQRO-Projekt wird einen bahnbrechenden modularen Quantencomputer entwickeln, aufgebaut aus Quanten-Kernen welche gespeicherte atomare Ionen als Quantenbits verwenden. Die in diesen, mit beispielloser Funktionalität ausgestatteten Quanten-Kernen ausgeführten quantenlogischen Operationen werden durch Hochfrequenz(HF)-Wellen kontrolliert. Dies wird durch Magnetic Gradient Induced Coupling, kurz MAGIC, ermöglicht. Das MAGIC-Konzept unterscheidet sich von anderen Ansätzen durch perfekt reproduzierbare Qubits, stark reduzierte Kühlanforderungen und sehr gut integrierbare Hochfrequenzelektronik für die Steuerung der Qubits. Darüber hinaus wird die gleichzeitige Kopplung vieler Qubits in einem Quantenkern, bei gleichzeitig unerreicht kleinem Übersprechen zwischen den Qubits, Quantenalgorithmen beschleunigen. Die MAGIC-Methode wird hier um neue leistungsfähige, mikrostrukturierte Ionenspeicher erweitert. Dies wird Quantengatter hoher Güte und quantenlogische Fehlerkorrektur ermöglichen und so entscheidend zur Skalierung von Quantenrechnern beitragen. Der in diesem Projekt entwickelte und betriebene Quantenkern, stellt das Herzstück eines zukünftigen Ionen-basierten universellen Quantencomputers dar. Dieser Quantencomputer wird auf Tausend Qubits skalierbar sein, und damit vielfältigen, heute noch undenkbaren industriellen und akademischen Anwendungen den Weg bereiten.

 

Aus Quantenregistern bestehender Quantenkern, welcher sich zu Multi-QPU-Systemen für erste industrielle Anwendungen skalieren lässt. © MIQRO/eleQtron GmbH

Innerhalb des Verbundprojekts sollen die Expertisen der beteiligten Verbundpartner optimal zum Einsatz kommen. So wurde an der Universität Siegen die konzeptuelle Grundlage der hier angestrebten Durchführung von quantenlogischen Operationen, MAGIC, entwickelt und demonstriert. Gemeinsam mit dem Institut für Quantenoptik der Leibniz Universität Hannover unter Leitung von Prof. Dr. Christian Ospelkaus sollen nun die Chips spezifiziert und entwickelt werden, die die bewährte MAGIC-Methode um neue leistungsfähige, mikrostrukturierte Ionenspeicher erweitert. Damit werden die innovativen Mikrofabrikationsverfahren und Erfahrungen mit der Herstellung mehrerer Generationen von Ionenfallen der LUH für das Verbundprojekt fruchtbar gemacht. Mit Experten auf dem Gebiet der Vermessung und Rekonstruktion von Quantenzuständen ist die Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf mit Prof. Dr. Martin Kliesch als Theoriepartner optimal aufgestellt, die notwendigen Charakterisierungs- und Verifizierungsmethoden zu entwickeln und zu implementieren. Für die elektronischen Kontrollsysteme der Anlagen baut MIQRO auf den führenden Entwicklungen der QUARTIQ GmbH unter Leitung von Dr. Robert Jördens auf, deren Steuersoftwareplattformen ARTIQ und Sinara bereits heute weltweit von Forschungsgruppen zur Steuerung von Quantentechnologien eingesetzt werden und ein breites Anforderungsprofil mit Komponenten industrieller Qualität abdecken.

Leibniz Universität Hannover - Fakultät für Mathematik und Physik - Institut für Quantenoptik, Hannover
Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf - Quantum Technology, Düsseldorf
QUARTIQ GmbH, Berlin
eleQtron GmbH
BMBF Quantentechnologien
VDI-TZ Düsseldorf

Quantum Futur Award 2020

13.11.2020

Die Universität Siegen gratuliert Christian Piltz herzlich zur Auszeichnung seiner Dissertation im Rahmen des bundesweit ausgeschriebenen Quantum Future Awards des Bundesministeriums für Bildung und Forschung!

Dissertation:
Maßgeschneiderte Spin-Spin-Kopplung und Quanten-Fouriertransformation mit gespeicherten Yb Ionen in einem Magnetfeldgradienten

Publikationen:
A trapped-ion-based quantum byte with 10⁻⁵ next-neighbour cross-talk
Versatile microwave-driven trapped ion spin system for quantum information processing

Echte zeitliche Korrelationen können die Quantendimension bestimmen

26.05.2020

Zeitliche Korrelationen in der Quantenmechanik sind der Ursprung mehrerer nichtklassischer Phänomene, die aber von der Dimension des zugrunde liegenden Quantensystems abhängen. Dies erlaubt es, solche Korrelationen für die Zertifizierung einer minimalen Hilbert-Raumdimension zu verwenden. Hier bieten wir einen theoretischen Vorschlag und eine experimentelle Implementierung eines geräteunabhängigen Dimensionstests an, bei dem zeitliche Korrelationen verwendet werden, die an einem einzelnen gefangenen ¹⁷¹Yb⁺ Ion beobachtet wurden. Unser Test geht über das "Prepare-and-measurescheme" früherer Ansätze hinaus und demonstriert den Vorteil zeitlicher Korrelationen.