Quantum control and computing with neutral ⁸⁸Sr atoms

Eberhard, Robin (2025): Quantum control and computing with neutral ⁸⁸Sr atoms. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

In quantum computers, the superposition of quantum states is used to perform calculations that are theoretically impossible or infeasible with classical computers, such as solving the traveling salesman problem for many nodes or conducting unstructured searches for large databases. Due to its scalable and flexible nature, neutral atoms trapped in optical tweezers are a promising technology for performing quantum computation. Here, qubit configurations are not static, allowing arbitrary geometries to be realized, and schemes where qubits are exchanged are readily available. The quantum level structure of neutral atoms is used to encode a qubit between two states, forming the basis for quantum computing. As the atoms are cooled to their electronic and motional ground states, transitions between qubit zero and qubit one can be driven with high fidelity. A multi-qubit gate is then realized when two or more atoms interact, e.g., by moving them close together, or by increasing their dipole radius when they are excited to a Rydberg state. Up to now, different qubits have been realized in neutral atoms, most notably ⁸⁷Rb, where the electronic ground state splits into two sublevels, which are used as encoding of a qubit. We describe progress on realizing a quantum computer based on ⁸⁸Sr. As a boson, its electronic ground state exhibits no hyperfine splitting, such that SPAM errors can be eliminated. The qubit is encoded in the ground state together with the highly studied, long-lived clock state, allowing for high-fidelity control of the transition. In this thesis, we present how the apparatus creates an ultra-high vacuum, as long-lived atoms are necessary for high-performance quantum algorithms. We show the main ideas behind the laser systems used for cooling, trapping, and driving the single-qubit transition. Our work demonstrates that coherently moving atoms is a feasible operation in quantum computing, allowing for the exchange of qubits, the shuttling of qubits to separate registers, or enabling additional phase gates. The results presented here establish ⁸⁸Sr as a viable candidate for quantum computing and lay the foundation for future fault-tolerant quantum systems.

Abstract

In Quantencomputern wird die Überlagerung von Quantenzuständen genutzt, um Berechnungen durchzuführen, die theoretisch unmöglich oder nicht durchführbar sind, wie zum Beispiel das travelling salesman Problem für eine große Anzahl an Knotenpunkten oder unstrukturierte Suchen für große Datenbanken. Aufgrund ihrer Skalierbarkeit und Flexibilität sind neutrale Atome gefangen in optischen Pinzetten, eine vielversprechende Technologie, um Quantenberechnungen durchzuführen. Hier sind die Qubit-Konfigurationen nicht statisch, sodass beliebige Geometrien realisiert werden können und Algorithmen, in denen Qubits ausgetauscht werden, leicht verfügbar sind. Für neutrale Atome wird die Quantenstruktur genutzt, um Qubits in zwei Niveaus zu kodieren, um die Basis für Quantenberechnungen zu schaffen. Wenn Atome in ihre elektronischen und Bewegungs-Grundzustände gekühlt werden, kann der Übergang zwischen qubit null und qubit eins mit hoher Genauigkeit getrieben werden. Ein Multi-Qubit-Gatter kann dann realisiert werden, wenn zwei oder mehr Atome miteinander interagieren, z.B. indem sie nahe zusammengebracht werden oder indem ihr Dipolradius vergrößert wird, wenn sie in einen Rydberg-Zustand angeregt werden. Bisher wurden verschiedene Qubits mit neutralen Atomen realisiert, insbesondere in #ATOM("Rb", 87), wo der elektronische Grundzustand in zwei Unterzustände aufgeteilt wird, welche als Kodierung für das Qubit genutzt werden. Wir beschreiben die Fortschritte, um einen Quantencomputer basierend auf #STRONTIUM(88) zu realisieren. Als Boson hat der elektronische Grundzustand keine Hyperfeinstruktur, sodass #acr("SPAM") Fehler eliminiert werden können. Das Qubit ist im Grundzustand zusammen mit dem viel studierten, langlebigen Uhrenzustand kodiert, was das Treiben des Übergangs mit hoher Genauigkeit ermöglicht. In dieser Arbeit wird ein Apparat präsentiert, der ein ultrahohes Vakuum erzeugt, da langlebige Atome notwendig sind für leistungsstarke Quantenalgorithmen. Wir zeigen die wichtigsten Ideen hinter den Lasersystemen, die zum Kühlen, Fangen und Treiben der Einzelqubit-Operation genutzt werden. Unsere Arbeit demonstriert, dass kohärente Bewegung von Atomen eine realisierbare Operation von Quantencomputern ist, welche erlaubt Qubits auszutauschen, sie in separate Register zu verschieben oder zusätzliche Phasengatter zu ermöglichen. Die hier präsentierten Ergebnisse etablieren #STRONTIUM(88) als einen geeigneten Kandidaten für Quantencomputer und legen den Grundstein für zukünftige fehlertolerante Quantensysteme.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 9. Dezember 2025
• 1. Bericht­erstatter:in: Bloch, Immanuel