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In die Falle gegangen

Gefangen: Chipkonstruktion einer Ionenfalle
Gefangen: Chipkonstruktion einer Ionenfalle

Die Entdeckung, dass die Welt quantenmechanisch tickt, ist über 100 Jahre alt. Viele technologische Anwendungen der Quantenphysik – vom Laser über die Halbleitertechnik bis zum Magnetresonanztomografen (MRT) – nehmen wir heute als selbstverständlich hin. Die jetzt aufscheinenden „Quantentechnologien der zweiten Generation“ gehen einen Schritt weiter. Sie erlangen die Kontrolle über einzelne Quantenobjekte und nutzen grundlegende Quanteneffekte gezielt aus – für technologische Innovationen von morgen und übermorgen.

  • Quantencomputer: Ein klassisches Bit hat entweder den Wert Null oder den Wert Eins. Ein Quantenbit (Qubit) hingegen beschreibt nicht diese eine Alternative, sondern beide Möglichkeiten zugleich. Während ein klassischer Computer mit sehr vielen Bits und mit sehr schnellen Einzelschritten nur sukzessive rechnen kann, arbeitet ein Quantencomputer massiv parallel. Voraussetzung ist allerdings sowohl eine extrem gute Isolation der fragilen Qubits, als auch eine außerordentlich gute Kontrolle über die Zustände dieser Qubits. Sind diese Voraussetzungen erfüllt, könnte ein Quantencomputer bereits ab einer Anzahl von etwa 50 Qubits spezielle Aufgaben lösen, an denen heutige Supercomputer scheitern.
  • Quantensimulatoren: Während Quantencomputer als „Universalrechenmaschinen“ konzipiert sind, sind Quantensimulatoren als Spezialisten für konkrete Probleme gedacht – etwa in der Materialforschung, der Quantenchemie oder der Hochenergiephysik. Allerdings müssen sie für jeden Simulationszweck eigens konfiguriert werden, versprechen dann aber eine Lösung von mit klassischen Computern nicht zu bewältigenden Problemen.
  • Grundlagenforschung: Wer über einzelne Quantenobjekte die Kontrolle erlangt, kann damit den grundlegenden physikalischen Gesetzen sehr nahekommen – für eine tiefere Einsicht in die Prinzipien der Welt.

Die PTB verfolgt einen Ansatz für einen skalierbaren Quantenprozessor, der auf selbst entwickelten und gefertigten, patentierten Ionenfallen basiert. Mit dieser Technologie wurden sogenannte Quantengatter realisiert, die den Kern eines jeden Quantencomputers bilden.

Am Quantentechnologiezentrum der PTB wird derzeit eine Anwenderplattform für externe Partner aufgebaut, um Ionenfallen schnell und verlässlich charakterisieren zu können. Solch eine Einrichtung existiert bisher nirgends, ist aber zwingende Voraussetzung für die kommerzielle Entwicklung eines auf Ionenfallen basierenden Quantencomputers und beispielsweise weiterer Entwicklungen für die hochauflösende Spektroskopie und die Metrologie.

Fachinformationen:Fachinformationen:

Lineare 3D-Ionenfallen ermöglichen die präzise Manipulation von Ionenketten und Qubits in einer hochkontrollierbaren und geschützten Umgebung. Die PTB beschäftigt sich mit der Entwicklung neuartiger 3D-Ionenfallen, dessen Skalierbarkeit das gleichzeitige Speichern mehrerer Ensembles von Ionen erlaubt. Ausgewählte Materialen und Techniken aus der Mikrofabrikation werden verwendet, um Fallen mit optimalen elektrischen und thermischen Eigenschaften herzustellen. Die Integration elektronischer und optischer Bauteile direkt auf der Falle wird es ermöglichen, kompakte und robuste Plattformen für Quantenanwendungen zu realisieren.

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Mikrostrukturierte Oberflächen Ionenfallen stellen eine Plattform für Quantensensoren dar und eignen sich zur Implementierung zukünftiger Quantencomputer. Eine wesentliche Voraussetzung um die Anzahl der kontrollierten Ionen und Qubits zu erhöhen ist eine Mikrostruktur welche das Anlegen vieler Signale ermöglicht, z. B. durch Integrierung von Mikrowellen-Leitungen. Mehrlagige Elektrodenstrukturen bieten eine Plattform welche dies ermöglichen. Ein Patent zur Herstellung solcher Strukturen wurde vor kurzem erteilt. Erste mehrlagige Ionenfallen wurden auf Basis des Herstellungsverfahrens produziert und mit 9Be+ Ionen getestet.

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