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.
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.
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.
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.
In einer Paulfalle gespeicherte Ionen sind derzeit einer der vielversprechendsten\nKandidaten für die Quanteninformationsverarbeitung (QIV). Die dafür in dem hier\nbeschriebenen Experiment verwendete Methode wurde im Jahre 2001 von F. Mintert\nund Ch. Wunderlich vorgestellt. Dabei wird auf atomare Übergänge im Mikrowellenoder\nRadiowellenbereich zurückgegriffen, wobei ein Magnetfeldgradient entlang einer\nIonenkette die Entartung der Übergangsfrequenzen verschiedener Ionen aufhebt\nund so für die Unterscheidbarkeit der einzelnen Ionen im Frequenzraum sorgt; weiterhin\nwird sichergestellt, dass interne und externe Freiheitsgrade der Ionenkette gekoppelt\nwerden können. Diese Methode wird MAGIC (MAgnetic Gradient Induced\nCoupling) genannt. Die Durchführung der Experimente erforderte zudem den Aufbau\nder Versuchsapparatur bestehend aus Laserquellen, Lambdameter, Vakuum- und Mikrowellensystem,\nsowie aus Abbildungs- und Detektionseinheiten, als Voraussetzung\nfür die erfolgreiche Durchführung der hier vorstellten Experimente. Für die Versuche\nist es von Vorteil, die Ionen in einem Zustand nahe des Grundzustands der Schwingung\nzu präparieren, weil dies dazu beiträgt, die Dephasierung bei der Manipulation\nmit Mikrowellen einzudämmen. Bei dieser sogenannten Seitenbandkühlung in den\nsub-Doppler Bereich wird ausgenutzt, dass sich die Ionen in guter Näherung in einem\nharmonischen Oszillatorpotential befinden und deshalb nur diskrete Schwingungszustände\nbesetzt werden können, deren Abstand der axialen Fallenfrequenz entspricht.\nDurch Anregung mit Hilfe der Mikrowelle, die um ein solches Schwingungsquant\nzu niedrigeren Energien von der Resonanz verstimmt ist, verliert das Ion pro Zyklus\nmit hoher Wahrscheinlichkeit die entsprechende Energie. Durch mehrfachen Durchlauf\ndes Kühlzyklusses lässt sich die durchschnittliche Phononenzahl und somit die\nTemperatur des Ions effektiv reduzieren und das Ion kann in einem Zustand nahe des\nGrundzustands der Schwingung präpariert werden. Als Seitenbandübergang wurde ein\nHyperfein-Übergang des Isotops 171Yb+ mit einer Übergangsfrequenz von etwa 12.6\nGHz verwendet. Prinzipiell ist der Impulsübertrag von Mikrowellenphotonen zu gering\num die Ionen effektiv zu kühlen; unter Anwendung von MAGIC wird dies jedoch\nmöglich. In dieser Arbeit wurden die für die Seitenbandkühlung relevanten Parameter\ncharakterisiert, was die Heizrate einschließt, welche dem Kühlprozess entgegenwirkt.\nDabei wurde die durchschnittliche Phononenzahl durch Seitenbandkühlung von über\n100 Phononen auf 4(4) reduziert, was mit dem Grundzustand verträglich ist.\nFür die Verifizierung der Ergebnisse wurde die erfolgreiche Seitenbandkühlung mit\nverschiedenen Methoden übereinstimmend nachgewiesen. Bei dieser Arbeit handelt es\nsich nach der Kenntnis des Autors um die erste detaillierte Behandlung der Seitenbandkühlung\nvon Ionen in einem statischen Magnetfeldgradienten mittels Mikrowellen.\n
In einer Paul-Falle gespeicherte Ionen können für die Quanteninformationsverarbeitung (QIV) als elementare Prozesseinheiten genutzt werden. Hierzu ist die Fähigkeit der Manipulation der lasergekühlten Ionen wichtig. Für viele Qubit-Operationen müssen die Ionen in den Schwingungsgrundzustand gekühlt werden. Mit der, in dieser Arbeit umgesetzten, Methode der Raman-Seitenbandkühlung konnte ein einzelnes Ion bis in den Schwingungsgrundzustand gekühlt werden. Im Vergleich zu Laserlicht bieten Mikrowellenfelder viele Vorteile im Hinblick auf Stabilisierung und Skalierung des Systems. Ein durchgeführter Randomized Benchmarking-Test unterstreicht das enorme Potential, das in der Manipulation von gespeicherten Ionen mit Mikrowellenfeldern liegt. Dabei wurde gezeigt, dass der Fehler pro Rechenschritt kleiner als 4 · 10-4 ist. Die sehr kurzen Kohärenzzeiten T2, der mit den Mikrowellenfeldern genutzten magnetfeldabhängigen Qubits, limitieren die Umsetzung dieses Konzepts. Veränderungen der umgebenden elektro-magnetischen Felder führen zu Dephasierung und begrenzen die mögliche Zeit für Gatteroperationen. In dieser Arbeit wird eine Methode angewendet, die durch die Kombination von inneren atomaren Zuständen und Mikrowellenfeldern so genannte Dressed States erzeugt, die sehr widerstandsfähig gegen die Einflüsse der Umgebung sind. Ein Dressed States-Qubit erreicht im Vergleich zu atomaren magnetfeldabhängigen Qubits eine um mehrere Größenordnungen längere Kohärenzzeit von einigen Sekunden. Die Kohärenzzeit eines Sensors ist in der Quantentechnologie die ausschlaggebende Größe, die die effektive und präzise Messung von Magnetfeldern begrenzt. Durch ein neues Magnetometrie-Protokoll kann für ein Dressed States-Qubit eine bisher nicht erreichte Magnetfeldsensitivität von 4,6 pT/√Hz bei 14 MHz erzielt werden, die im Bereich des Standard-Quanten-Limits liegt. Die Methode verbindet dabei die hohe Magnetfeldsensitivität mit einer Ortsauflösung im Nanometerbereich. Der Vorteil dieses neuen Schemas, gegenüber den gängigen Verfahren, ist, dass eine sehr hohe Empfindlichkeit für spektrale Komponenten des Magnetfeldes über einen sehr großen Frequenzbereich erreicht werden kann.
Ein Quantencomputer, der die Konzepte der digitalen Datenverarbeitung und der Quantenphysik verknüpft, verspricht bestimmte Probleme der Informatik wesentlich effizienter als ein klassischer Computer zu lösen. Des Weiteren erlauben sogenannte Quantensimulatoren neue Einblicke in wissenschaftliche Fragestellungen aus den unterschiedlichsten Disziplinen, die über die Physik hinausgehen.\nDie heute am weitesten fortgeschrittene Möglichkeit, wie ein Quantencomputer realisiert werden kann, basiert auf in einer Paul-Falle gespeicherten Ionen, in deren atomaren Zuständen Information gespeichert wird. \nMittels elektromagnetischer Strahlung können die Zustände manipuliert und die Information verarbeitet werden. \nEin stationärer Magnetfeldgradient oder ein oszillierenden Magnetfeld erlaubt für die Manipulation langwellige Mikrowellenstrahlung und beide Ansätze wurden in der Vergangenheit bereits erfolgreich erprobt.\n\nDiese Arbeit knüpft an die ersten Machbarkeitsstudien bezüglich der Verwendung eines stationären Magnetfeldgradienten an. Es wurde mit drei gespeicherten Ionen in einem stationären Magnetfeldgradienten eine Quanten-Fouriertransformation als exemplarischer Algorithmus ausgeführt. Die Konstruktion des Algorithmus basiert dabei auf einem neuartigen Ansatz, der möglichst effektiv alle vorhandenen Spin-Spin-Kopplungen innerhalb des Systems ausnutzt und im Vergleich zu herkömmlichen Konstruktionen um den Faktor drei schneller ausgeführt werden kann. Ebenfalls wurden Quantensysteme mit maßgeschneiderten Spin-Spin-Kopplungen für mögliche Quantensimulationen realisiert und untersucht. \nDabei wurden neuartige experimentelle Methoden entwickelt und erprobt, wie zum Beispiel eine Methode zur Detektion von Qubit-Zuständen, die auf der Zeitreihenanalyse von Fluoreszenz basiert.\nEbenfalls wurde untersucht, wie mit Mikrowellenpulsen und einem stationären Magnetfeldgradienten bis zu acht Ionen (ein Quantenbyte) adressiert werden können. Hierbei wurde demonstriert, dass der resultierende Fehler aus Übersprechen von der Größenordnung 10-5 ist. Ein solcher Fehler ist unterhalb der Schwelle, welche die effiziente Anwendung von Methoden der Quantenfehlerkorrekturen erlaubt.\nZusätzlich wurde demonstriert, wie der Fehler durch die Wahl geeigneter experimenteller Parameter unterdrückt werden kann.\nDarüber hinaus wurden Sequenzen von dynamischen Entkopplungspulsen verwendet, um eine kohärente Mehr-Qubit-Dynamik gegenüber einer Dephasierung zu stabilisieren. \nDie Leistungsfähigkeit und Fehleranfälligkeit unterschiedlicher Pulssequenzen wurden verglichen und eine neuartige robuste Pulssequenz entwickelt. Die Stabilisierung der Quantendynamik über eine Dauer, die fast zwei Größenordnungen länger als die Kohärenzzeit des Systems ist, erlaubte die Erzeugung von verschränkten Zuständen mit einer Fidelity von 0,64(4).
Die Elektronen in wasserstoff- und lithium-ähnlichen schweren Ionen sind den extrem starken elektrischen und magnetischen Feldern in der Umgebung des Kerns ausgesetzt. Die Laserspektroskopie der Hyperfeinaufspaltung im Grundzustand des Ions erlaubt daher einen sensitiven Test der Quantenelektrodynamik in starken Feldern insbesondere im magnetischen Sektor. Frühere Messungen an wasserstoffähnlichen Systemen die an einer Elektronenstrahl-Ionenfalle (EBIT) und am Experimentierspeicherring (ESR) der GSI Darmstadt durchgeführt wurden, waren in ihrer Genauigkeit durch zu geringe Statistik, einer starken Dopplerverbreiterung und der großen Unsicherheit in der Ionenenergie limitiert. Das ganze Potential des QED-Tests kann nur dann ausgeschöpft werden, wenn es gelingt sowohl wasserstoff- als auch lithium-ähnliche schwere Ionen mit einer um 2-3 Größenordnung gesteigerten Genauigkeit zu spektroskopieren. Um dies zu erreichen, wird gegenwärtig das neue Penningfallensystem SPECTRAP an der GSI aufgebaut und in Betrieb genommen. Es ist speziell für die Laserspektroskopie an gespeicherten hochgeladenen Ionen optimiert und wird in Zukunft von HITRAP mit nierderenergetischen hochgeladenen Ionen versorgt werden.rnrnSPECTRAP ist eine zylindrische Penningfalle mit axialem Zugang für die Injektion von Ionen und die Einkopplung eines Laserstrahls sowie einem radialen optischen Zugang für die Detektion der Fluoreszenz. Um letzteres zu realisieren ist der supraleitende Magnet als Helmholtz-Spulenpaar ausgelegt. Um die gewünschte Genauigkeit bei der Laserspektroskopie zu erreichen, muss ein effizienter und schneller Kühlprozess für die injizierten hochegeladenen Ionen realisiert werden. Dies kann mittels sympathetischer Kühlung in einer lasergekühlten Wolke leichter Ionen realisiert werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Lasersystem und eine Ionenquelle für die Produktion einer solchen 24Mg+ Ionenwolke aufgebaut und erfolgreich an SPECTRAP in Betrieb genommen. Dazu wurde ein Festkörperlasersystem für die Erzeugung von Licht bei 279.6 nm entworfen und aufgebaut. Es besteht aus einem Faserlaser bei 1118 nm der in zwei aufeinanderfolgenden Frequenzverdopplungsstufen frequenzvervierfacht wird. Die Verdopplerstufen sind als aktiv stabilisierte Resonantoren mit nichtlinearen Kristallen ausgelegt. Das Lasersystem liefert unter optimalen Bedingeungen bis zu 15 mW bei der ultravioletten Wellenlänge und erwies sich während der Teststrahlzeiten an SPECTRAP als ausgesprochen zuverlässig. Desweiteren wurde eine Ionequelle für die gepulste Injektion von Mg+ Ionen in die SPECTRAP Falle entwickelt. Diese basiert auf der Elektronenstoßionisation eines thermischen Mg-Atomstrahls und liefert in der gepulsten Extraktion Ionenbündel mit einer kleinen Impuls- und Energieverteilung. Unter Nutzung des Lasersystems konnten damit an SPECTRAP erstmals Ionenwolken mit bis zu 2600 lasergekühlten Mg Ionen erzeugt werden. Der Nachweis erfolgte sowohl mittels Fluoreszenz als auch mit der FFT-ICR Technik. Aus der Analyse des Fluoreszenz-Linienprofils lässt sich sowohl die Sensitivität auf einzelne gespeicherte Ionen als auch eine erreichte Endtemperatur in der Größenordnung von ≈ 100 mK nach wenigen Sekunden Kühlzeit belegen.