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Neues Qubit in Mikro-Ionenfalle

04.01.2016

Am QUEST-Institut werden in der Arbeitsgruppe von C. Ospelkaus (PTB und LUH) mikrostrukturierte Oberflächenfallen für Ionen entwickelt. In solchen Ionenfallen gespeicherte einzelne Atome könnten in einem Quantencomputer als „Quanten-Bits“ oder Qubits dienen. Eine solche neuartige Rechenmaschine wäre klassischen Rechnerarchitekturen bei speziellen mathematisch-physikalischen Rechenproblemen weit überlegen. Insbesondere könnte ein solches Gerät auch das Brechen von Kryptographie nach dem sogenannten RSA-Verfahren ermöglichen und wäre damit von hoher praktischer Relevanz für die verschlüsselte Kommunikation in Datennetzen. Im Bereich der Quanteninformationsverarbeitung basierend auf einzelnen Ionen hat es in den letzten Jahren vielversprechende Ansätze gegeben, die grundlegenden Logikoperationen auf den Qubits anstatt mit Hilfe komplexer Lasersysteme mit Mikrowellenfeldern zu realisieren, welche von speziellen, in die Fallenstruktur integrierten „Mikro-Wellenleitern“ ausgehen.

In der Arbeitsgruppe wurde hierzu ein neuartiges Fallendesign [1] entwickelt, welches es aufgrund der genauen Simulation der Mikrowellenfelder auf Längenskalen von Mikrometern ermöglicht, maßgeschneiderte Nahfelder für die Kontrolle von Ionen-Qubits zu erzeugen. Im letzten Jahr wurde eine weiter optimierte Version dieser Falle gefertigt und in Betrieb genommen. Hierzu wurde eine für 9Be+ neuartige Ladetechnik gezeigt, basierend auf gepulster Ablation von einem Festkörpertarget und ansschließender Photoionisation des entstehenden Neutralatomstrahls. Diese Ladtechnik hat sich als sehr vorteilhaft im Hinblick auf einen stabilen Betrieb der Falle mit minimalem Einfluss durch den Ladeprozess herausgestellt. Im Anschluss wurde ein neues feldunabhängiges Qubit demonstriert, welches bei einem Magnetfeld von 22.3 mT entsteht und lange Lebensdauern der erzeugten Quantenzustände erwarten lässt. Es wurden drei Verfahren zur Mikrobewegungskompensation implementiert, von deinen eines bereits die räumlich inhomogene Struktur des von dem integrierten Welenleiter ausgehenden Nahfeldes ausnutzt.

Im Anschluss wurden dann die Mikrowellen-Nahfelder unter Verwendung eines einzelnen Ions als Sensor vermessen und mit den numerischen Simulationen verglichen. Hierzu wurde eine Art Multipolentwicklung für zweidimensionale Nahfeldkonfigurationen entwickelt. Schließlich wurden als wesentliche Vorausetzung für verschränkende Quantenlogik-Operationen Bewegungs-Seitenbandübergänge unter Verwendung von Mikrowellen-Nahfeldern implementiert.

Zur Weiterentwicklung der Technologie hat die Arbeitsgruppe erste Schritte hin zu mehrlagigen Ionenfallen unternommen, bei denen ähnlich wie in einer mehrlagigen Leiterplatte elektrische Signale auf verschiedenen Ebenen geführt werden können. Im Moment wird hierzu ein geeigneter Planarisierungsschritt entwickelt. Von den Mehrlagenstrukturen verspricht man sich eine noch bessere Qualität der Felder und eine bessere Signalführung, speziell auch in Hinblick auf die Skalierbarkeit zu vielen Qubits.

 

Literatur:

[1]  M. Carsjens, M. Kohnen, T. Dubielzig und C. Ospelkaus, Surface-electrode Paul trap with optimized near-field microwave control, Appl. Phys. B, 114, 243–250 (2014).

 

 

Abbildung 1: Fallenstruktur, in der die Experimente zur Mikrowellen-Quantenlogik durchgeführt werden. Die mikrostrukturierte Falle ist in der Mitte des Kupferblocks zu sehen. Die umliegende Platine dient zur Kontaktierung. Das kleine Bild zeigt eine falschfarbenkodierte Darstellung des Fluoreszenzlichts, das zwei mit einem Laser beleuchtete 9Be+ Ionen erzeugen.

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