Abstract Die Speicherung von kalten Ionenkristallen in einer Paul‐Falle gilt als ein erfolgversprechender Ansatz für die experimentelle Realisierung eines zukünftigen Quantencomputers. Nachdem das Funktionsprinzip für eine geringe Anzahl Ionen demonstriert werden konnte, steht nun die Skalierbarkeit dieser Methode auf eine große Zahl von Ionen im Brennpunkt der Forschung. Unsere Gruppe an der Universität Ulm hat kürzlich eine mikroskopische und in eine Vielzahl von Segmenten aufgeteilte Paul‐Falle gebaut.
Abstract Die Speicherung von kalten Ionenkristallen in einer Paul‐Falle gilt als ein erfolgversprechender Ansatz für die experimentelle Realisierung eines zukünftigen Quantencomputers. Nachdem das Funktionsprinzip für eine geringe Anzahl Ionen demonstriert werden konnte, steht nun die Skalierbarkeit dieser Methode auf eine große Zahl von Ionen im Brennpunkt der Forschung. Unsere Gruppe an der Universität Ulm hat kürzlich eine mikroskopische und in eine Vielzahl von Segmenten aufgeteilte Paul‐Falle gebaut.
Die in dieser Arbeit dargelegten Ergebnisse befassen sich mit Experimenten, welche den Mg-In-Ionenfallen-Quantencomputer zum Endziel haben. Als logisches Schaltelement eines solchen Quantencomputers kommen sowohl die Cirac-Zoller- als auch die Sörensen-Mölmer-Version eines CNOT-Gatters in Frage. In beiden Fällen müssen die Ionen durch Laserstrahlung gekühlt werden. Während das Cirac-Zoller-Gatter Grundzustandskühlung erfordert, wird beim Sörensen-Mölmer-Gatter lediglich der wesentlich einfacher zu erreichende Lamb-Dicke-Bereich benötigt. Aufgrund der Tatsache, daß zwei verschiedene Ionensorten für unterschiedliche Aufgaben verwendet werden, kombiniert man deren Vorzüge optimal miteinander. Zur direkten Seitenband-Kühlung verwendet man In, mit dem in unserer Arbeitsgruppe bereits Grundzustandskühlung demonstriert worden ist. Quanteninformation soll in den Mg-Ionen gespeichert werden. Da beim Sörensen-Mölmer-Gatter, solange man sich im Lamb-Dicke-Bereich befindet, die Quantenrechnung nicht von der thermischen Bewegung der Ionen abhängen, kann der heterogene Ionenkristall durch die Indiumionen kontinuierlich gekühlt werden, ohne daß die in den Mg-Ionen gespeicherte Quanteninformation dadurch beeinflußt wird. Dadurch kann die Dekohärenz der Schwingungsmoden minimiert, und die Anzahl möglicher Quantenoperationen maximiert werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde von Grunde auf ein neues Experiment geplant, aufgebaut und zahlreiche Versuche dazu durchgeführt. Es wurde ein völlig neuer, komplexer Vakuumrezipient entworfen und gebaut. Im Inneren des Vakuumrezipienten wurde ein schwingungsgedämpfter Aufbau einer neuartigen, selbstjustierenden Ionenfallenhalterung inklusive verbesserter Atomofenhalterung in ein kompaktes Gesamtsystem integriert. Die Falle wurde für die Speicherung zweier Ionensorten optimiert. Mit der linearen Endkappenfalle wurden zuerst Mg-Ionenkristalle erzeugt. Bei den Experimenten mit Indium konnten Mg-In-Wolken nachgewiesen werden, sowie sympathetische Kühlung von Indium durch die direkt lasergekühlten Magnesiumionen. In der neuen Vierstabfalle wurden zuerst Experimente mit einem Sekundärelektronen-Vervielfacher bei Kühlung mit Puffergas durchgeführt, wobei Speicherung von Magnesiumionen sowie von Dunkelionen aus dem Restgas nachgewiesen werden konnte. Bei diesen Messungen wurde gleichzeitig die Falle charakterisiert. Es wurden Stabilitätsdiagramm, radiale und axiale Schwingungsfrequenzen gemessen. Darüber hinaus wurden in der neuen Ionenfalle Magnesium-Ionenkristalle gespeichert und nachgewiesen. Die im Vergleich zur linearen Endkappenfalle wesentlich verbesserte Mikrobewegungskompensation demonstriert die Überlegenheit der automatischen Justage der neuen Ionenfalle.
Lasergekühlte Ionenketten in mikrostrukturierten Paul-Fallen (Mikrofallen) bieten ein großes Potential für Anwendungen in den Quanteninformationswissenschaften. Sie können in einer dekohärenzarmen Umgebung präpariert und manipuliert, und ihre Zustände mit einer Effizienz von fast 100% detektiert werden. Mit zusätzlichen Magnetfeldgradienten ist es möglich, die Ionen im Frequenzraum zu adressieren und zu koppeln (MAGIC-Methode - MAgnetic Gradient Induced Coupling).\nIn dieser Arbeit wurde eine neuartige Mikrofalle mit integrierten Elektromagneten entwickelt, in Betrieb genommen und charakterisiert. Das durch die integrierten Elektromagnete erzeugte steuerbare Magnetfeld wurde darauf optimiert, am Ort der Ionen einen möglichst großen Magnetfeldgradienten zu erzeugen. Die Mikrofalle besteht aus drei übereinander liegenden Lagen. Die äußeren Lagen erzeugen das Fallenpotential, durch die mittlere Fallenlage wird der Magnetfeldgradient erzeugt. Mit insgesamt 33 Elektrodenpaaren können die Ionen entlang der Fallenachse bewegt und ihre Spin-Spin Kopplung kontrolliert werden. Die Mikrofalle wurde auf einem mit Dickschichttechnik bedruckten Keramikblock montiert, der sowohl alle elektrischen Anschlüsse für die Mikrofalle bereit stellt, als auch als Vakuumdurchführung dient. Mit dieser für Anwendungen mit Ionenfallen neuartigen Technologie wurde ein Vakuum im niedrigen 10-11 mbar-Bereich erzielt. In der Mikrofalle wurden 172Yb+-Ionen gespeichert, über 2mm transportiert und im Magnetfeldgradienten der Elektromagnete manipuliert. Einzelne Ionen wurden als Magnetfeldsonden benutzt, auf diese Weise wurden relative Genauigkeiten von Delta B/B0 = 7 · 10-6 erreicht. Die Adressierung zweier Ionen im Magnetfeldgradienten mittels der MAGIC-Methode wurde demonstriert.
An in Paul-Fallen gespeicherten Ionen lassen sich quantenmechanische Effekte untersuchen. Hierzu werden die internen Zustände der Ionen manipuliert und anschließend durch Fluoreszenzmessungen detektiert. Diese Experimente können für Anwendungen in der Quanteninformationsverarbeitung genutzt werden, Ziele hierbei sind beispielsweise die Simulation von Quantensystemen und die Verwirklichung eines Quantencomputers. Im Rahmen dieser Arbeit wird als Apparatur zum Speichern von Ytterbium-Ionen eine mikrostrukturierte segmentierte Paul-Falle verwendet. Durch den in die Falle integrierten Elektromagneten ist es möglich, die Ionen zu koppeln (Magnetic Gradient Induced Coupling - MAGIC) und mittels Mikrowellenstrahlung zu adressieren. Durch die segmentierten Elektroden können die Ionen innerhalb der Falle kontrolliert bewegt werden und es lässt sich deren Wechselwirkung einstellen. Ein mit Dickschichttechnik bedruckter Keramikblock dient als kompakte Vakuumdurchführung der über siebzig elektrischen Signale, die für den Betrieb der Falle benötigt werden. Alle weiteren für die Versuchsapparatur benötigten Komponenten wie der Vakuumrezipient und die Laserstrahlquellen wurden aufgebaut. Für die Erzeugung von Laserstrahlung bei 369 nm durch Frequenzverdopplung wird erstmals ein Bismuth-Triborat-Kristall genutzt. An den gespeicherten Ionen werden kohärente Rabi- und Ramsey-Messungen durchgeführt. Durch Messung der Energiedifferenz der einzelnen Zeeman-Niveaus lässt sich das Magnetfeld am Ort des Ions mit einer relativen Unsicherheit von einem ppm bestimmen.
Obwohl es bereits funktionierende Quantencomputer basierend auf gefangenen Ionen gibt, kann man davon ausgehen, das die Anzahl der Ionen noch stark erhöht wer- den muss, um ein wirklich nützliches Gerät zu bauen. Um mit mehr Ionen arbeiten zu können werden Ionenfallen oft als Oberflächenfallen ausgeführt. In einer Ober- flächenfalle sind die Elektroden, die das elektromagnetische Feld erzeugen, in einer Ebene platziert, wodurch die Fallen mittels etablierten Technologien aus der Halbleit- erindustrie gefertigt werden können. Nachdem die Manipulation der Ionen vorwiegend über Laserpulse geschieht, können integrierte optische Komponenten dazu beitragen, die Anzahl der Ionen zu erhöhen. In dieser Arbeit wird ein integrierter Photonik-Chip charakterisiert, der einzelne Ionen in einer Kette von 10 Teilchen adressieren wird. Der Chip basiert auf Wellenleitern aus Siliziumnitrid, die Licht aus optischen Fasern zu einem Spiegel, basierend auf Totalreflexion, leiten. Der Spiegel koppelt den Laserstrahl aus dem Chip aus, und richtet ihn auf die Ionen. Auf einem speziell dafür gebauten Messapparat wird gezeigt, das die Wellenleiter geringe optische Verluste von weniger als −0.5 dB/cm aufweisen, und dass ein nahezu beugungsbegrenzter Laserstrahl aus- gekoppelt wird, mit einem M 2 Wert von 1.21(5) senkrecht zu der Ionenkette, und 1.17(7) in Richtung der Ionen. Mit diesen Eigenschaften kann der Photonik-Chip gewinnbringend für zukünftige Experimente mit gefangenen Ionen eingesetzt werden.
Zusammenfassung Quantencomputer versprechen, spezielle, für Anwendungen hochinteressante Aufgaben zu lösen. An diesen NP‐harten Problemen scheitern herkömmliche Supercomputer. Eine Technik, die intensiv erforscht wird, ist der Ionen‐Quantencomputer. An ihm demonstriert dieser Artikel, wie der Quanten‐Suchalgorithmus von Lov Grover funktioniert. Programmiert werden solche Quantencomputer über einen Software‐Stack. Er übersetzt die Befehle der Nutzeroberfläche über verschiedene Stufen in die Laser‐Manipulation der Ionen‐Qubits. Bei den aktuell in Laboren laufenden Quantencomputern sind etwa zehn Ionen die Grenze, ab der das Rauschen der Quantengatter für zu große Fehler in den Rechnungen sorgt. In Zukunft soll eine Quantenfehlerkorrektur, die mehrere physische Qubits zu einem logischen Qubit verknüpft, Fehler erkennen können. Um die Zahl der Ionen zu steigern, soll die Kontrolle über die Laserpulse und die Fallenpotenziale verbessert werden. Zudem wird daran geforscht, mehrere Ionenfallen zum Beispiel via Photonenverschränkung miteinander zu verbinden. Mikrochip‐Ionenfallen sollen Ionen‐Quantencomputer miniaturisieren.
In einer Paul-Falle gespeicherte, laser-gekühlte atomare Ionen\nkönnen als elementare quantenmechanische Schalteinheiten für die\nQuanteninformationsverarbeitung (QIV) genutzt werden. Hierfür muss\ndie Adressierung einzelner Ionen und die Wechselwirkung der Ionen\nuntereinander gewährleistet werden. Hierzu wurde ein Konzept\n(magnetic gradient induced coupling, MAGIC) vorgeschlagen, welches\neinen Magnetfeldgradienten ausnutzt, um Ionen im Frequenzraum\nmittels Strahlung im Radiofrequenz- oder Mikrowellen-Bereich zu\nadressieren. Dabei wird die magnetfeldabhängige Aufspaltung der\ninneren Zustände der Ionen ausgenutzt. Zusätzlich kann eine\nSpin-Spin Kopplung zwischen den gespeicherten Ionen in einer Kette\nrealisiert werden.\n\nIn dieser Arbeit werden erste Ergebnisse präsentiert um eine\nOberflächenfalle für die QIV im Zusammenhang mit dem Konzept MAGIC\nnutzbar zu machen. Diese neuartige Falle ist eine miniaturisierte,\nsegmentierte Paul-Falle, bei der die zum Speichern von Ionen\nnotwendige Elektrodenstruktur auf eine einzige Ebene verlagert\nwerden kann und Ionen oberhalb dieser Ebene gespeichert werden\nkönnen. Es wird die Infrastruktur für die Herstellung einer\nOberflächenfalle an unserem Institut geschaffen und mittels\noptischer Lithographie und Galvanik wird ein Fallenchip mit einer\nElektrodendicke von 8,5 µm mit einer Oberflächenrauheit von\n20-30 nm produziert. Dieser beinhaltet eine\nneuartige stromdurchflossene Struktur, die es erlaubt einen räumlich\nund zeitlich variablen Magnetfeldgradienten am Ort der Ionen zu\nerzeugen. Das Speichern von 172Yb+ Ionen über einige Stunden\nhinweg wird demonstriert. Mit Hilfe der Radiofrequenz-optischen\nDoppelresonanz-Spektroskopie wird der Magnetfeldgradient vermessen.\nErstmals ist an einer Oberflächenfalle eine Adressierung im\nFrequenzraum von drei Ionen mittels angelegtem Gradienten\ndemonstriert worden. Die Güte der individuellen Adressierung der\nIonen beträgt F = 0,52(1). Diese ist aktuell durch Imperfektionen\nder zuführenden Leiterbahnen begrenzt. In naher Zukunft sollten\nGradienten um 20 T/m realisierbar sein, was zu einer Güte nahe 1\nführen sollte.