Mit neuer Ionenfalle zu grösseren Quantencomputern

Die Energiezust?nde der Elektronen in einem Atom unterliegen den Gesetzen der Quantenmechanik: Das heisst, sie sind nicht kontinuierlich verteilt, sondern beschr?nken sich auf bestimmte, festgelegte Werte ¨C  was man als quantisiert bezeichnet. Solche quantisierten Zust?nde sind die Basis f¨¹r Quantenbits (Qubits), mit denen Wissenschaftler:innen extrem rechenstarke Quantencomputer konstruieren wollen. Dazu m¨¹ssen die Atome abgek¨¹hlt und an einem Ort festgehalten, also gefangen werden.

Das Fangen kann dadurch erreicht werden, dass man die Atome ionisiert, ihnen also eine elektrische Ladung gibt. Mit zeitlich konstanten elektrischen Feldern allein kann man einzelne geladene Teilchen nicht dauerhaft einfangen, das folgt aus den Gesetzen der Elektrodynamik. F¨¹gt man dagegen ein oszillierendes ¨C sprich schwingendes ¨C elektromagnetisches Feld hinzu, erh?lt man eine stabile Ionen-Falle, auch Paul-Falle genannt.

Auf diese Weise ist es in den letzten Jahren gelungen, Quantencomputer mit Ionenfallen f¨¹r rund 30 Qubits zu bauen. Sehr viel gr?ssere Computer sind mit dieser Technik allerdings nicht einfach zu realisieren. Die oszillierenden Felder machen es schwierig, mehrere solcher Fallen auf einem Chip zu vereinen, und sie f¨¹hren zum Aufheizen der Falle ¨C ein Problem, dass vor allem in gr?sseren Systemen zum Tragen kommt. Zudem ist der Transport von Ionen auf gerade Linien begrenzt, die durch Kreuzungen verbunden sind.

Ionenfalle mit Magnetfeld

Forschende der ETH Z¨¹rich unter der Leitung von Jonathan Home haben jetzt gezeigt, dass man auch mit statischen Magnetfeldern ¨C anstelle der oszillierenden Felder ¨C Ionenfallen bauen kann, die sich f¨¹r Quantencomputer eignen. In diesen statischen Fallen mit zus?tzlichem Magnetfeld, Penning-Fallen genannt, k?nnen sowohl der beliebige Transport als auch die notwendigen Operationen f¨¹r die k¨¹nftigen Superrechner ausgef¨¹hrt werden. Ihre Ergebnisse haben die Physiker:innen soeben im Wissenschaftsjournal Nature ver?ffentlicht.

?Traditionell werden Penning-Fallen benutzt, wenn man f¨¹r Pr?zisionsexperimente sehr viele Ionen einfangen will, diese aber nicht individuell kontrollieren muss?, sagt ETH-Doktorand Shreyans Jain: ?In den kleineren Quantencomputern mit Ionen werden dagegen Paul-Fallen eingesetzt.?

Die Idee der ETH-Forschenden, k¨¹nftig auch Quantencomputer mit Penning-Fallen zu bauen, stiess bei Kolleg:innen zun?chst auf Skepsis. F¨¹r die Vorbehalte gibt es einige Gr¨¹nde: F¨¹r Penning-Fallen braucht man extrem starke Magnete, die sehr teuer und recht klobig sind. Zudem waren bislang alle Penning-Fallen sehr symmetrisch, was bei den Chip-Fallen an der ETH nicht der Fall ist. Und f¨¹hrt man Experimente in einem grossen Magneten durch, wird es schwierig, die f¨¹r die Kontrolle der Qubits n?tigen Laserstrahlen in die Falle zu leiten. Zudem vergr?ssern starke Magnetfelder den Abstand zwischen den Qubit-Energiezust?nden. Das wiederum macht die Kontroll-Lasersysteme viel komplizierter: Anstelle eines einfachen Diodenlasers ben?tigt man gleich mehrere phasengekoppelte Laser.

Transport in beliebige Richtungen

Von all diesen Schwierigkeiten liessen sich Home und seine Mitarbeitenden aber nicht abschrecken. Sie konstruierten eine Penning-Falle, die auf einem supraleitenden Magneten und einem mikrofabrizierten Chip mit mehreren Elektroden basiert, welcher an der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig hergestellt wurde. Der verwendete Magnet liefert ein 3 Tesla starkes Feld, also fast 100¡¯000 Mal st?rker als das Erdmagnetfeld. Durch ein System von gek¨¹hlten Spiegeln gelang es den Forschenden aus Z¨¹rich, das n?tige Laserlicht durch den Magneten zu den Ionen zu schleusen.

Die M¨¹hen lohnten sich: Ein einzelnes gefangenes Ion, das mehrere Tag lang in der Falle verweilen kann, konnte nun durch Ansteuern der verschiedenen Elektroden auf dem Chip schnurgerade und beliebig hin- und herbewegt werden ¨C dies war bei den herk?mmlichen Systemen mit oszillierenden Feldern nicht m?glich. Da keine oszillierenden Felder zum Einfangen gebraucht werden, k?nnen viele solcher Fallen auf einem Chip untergebracht werden. ?Wir k?nnen die einmal elektrisch aufgeladenen Elektroden sogar komplett von der Aussenwelt abkoppeln und so untersuchen, wie stark die Ionen durch ?ussere Einfl¨¹sse gest?rt werden?, sagt Tobias S?gesser, der als Doktorand am Experiment beteiligt war.

Koh?rente Kontrolle des Qubits

Die Forschenden demonstrierten ausserdem, dass sich auch die Qubit-Energiezust?nde des gefangenen Ions kontrollieren liessen, unter Beibehaltung der quantenmechanischen ?berlagerung. Diese koh?rente Kontrolle klappte sowohl mit den elektronischen (inneren) Zust?nden des Ions als auch mit den (?usseren) quantisierten Schwingungszust?nden in der Penning-Falle und auch f¨¹r die Kopplung zwischen inneren und ?usseren Quantenzust?nden. Letztere ist eine Voraussetzung f¨¹r die Herstellung von Verschr?nkungszust?nden, die f¨¹r Quantencomputer wichtig sind.

Als N?chstes will Home zwei Ionen in benachbarten Penning-Fallen auf demselben Chip fangen und so nachweisen, dass auch Quantenoperationen mit mehreren Qubits ausgef¨¹hrt werden k?nnen. Damit w?re dann endg¨¹ltig belegt, dass Quantencomputer mit Ionen in Penning-Fallen realisiert werden k?nnen. Auch weitere Anwendungen kann sich der Professor vorstellen: Da die Ionen in der neuen Falle beliebig bewegt werden k?nnen, lassen sich mit ihnen elektrische, magnetische oder Mikrowellenfelder in der N?he von Oberfl?chen messen. Dies er?ffnet die M?glichkeit, solche Systeme als atomare Sensoren f¨¹r Oberfl?cheneigenschaften zu verwenden.