Eine neue Ionenfalle für größere Quantencomputer

Forschern der ETH ist es gelungen, Ionen mithilfe statischer elektrischer und magnetischer Felder einzufangen und Quantenoperationen an ihnen durchzuführen. Mithilfe solcher Fallen könnten in Zukunft Quantencomputer mit deutlich mehr Quantenbits realisiert werden, als dies bisher möglich war.

Die Energiezustände der Elektronen in einem Atom folgen den Gesetzen der Quantenmechanik: Sie sind nicht kontinuierlich verteilt, sondern auf bestimmte wohldefinierte Werte beschränkt – man spricht auch von Quantisierung. Solche quantisierten Zustände sind die Grundlage für Quantenbits (Qubits), mit denen Wissenschaftler extrem leistungsfähige Quantencomputer bauen wollen. Dazu müssen die Atome abgekühlt und an einem Ort eingefangen werden.

Ein starkes Einfangen kann erreicht werden, indem man die Atome ionisiert, also ihnen eine elektrische Ladung verleiht. Ein Grundgesetz des Elektromagnetismus besagt jedoch, dass zeitlich konstante elektrische Felder kein einzelnes geladenes Teilchen einfangen können. Durch Hinzufügen eines oszillierenden elektromagnetischen Feldes erhält man hingegen eine stabile Ionenfalle, auch Paul-Falle genannt.

Auf diese Weise ist es in den letzten Jahren gelungen, Quantencomputer mit Ionenfallen zu bauen, die rund 30 Qubits enthalten. Wesentlich größere Quantencomputer lassen sich mit dieser Technik jedoch nicht ohne weiteres realisieren. Die oszillierenden Felder machen es schwierig, mehrere solcher Fallen auf einem einzigen Chip zu kombinieren, und ihre Verwendung heizt die Falle auf – ein größeres Problem, je größer die Systeme werden. Mittlerweile ist der Transport von Ionen darauf beschränkt, entlang linearer Abschnitte zu verlaufen, die durch Kreuze verbunden sind.

Ionenfalle mit Magnetfeld

Ein Forscherteam der ETH Zürich um Jonathan Home hat nun gezeigt, dass für den Einsatz in Quantencomputern geeignete Ionenfallen auch mit statischen Magnetfeldern statt mit oszillierenden Feldern gebaut werden können. In diesen statischen Fallen mit einem zusätzlichen Magnetfeld, sogenannten Penning-Fallen, wurden sowohl der willkürliche Transport als auch die notwendigen Operationen für die zukünftigen Supercomputer realisiert. Das haben Forscher kürzlich herausgefunden veröffentlicht ihre Ergebnisse in der Fachzeitschrift Natur.

„Traditionell werden Penningfallen verwendet, wenn man für Präzisionsexperimente sehr viele Ionen einfangen möchte, ohne diese jedoch einzeln steuern zu müssen“, sagt Ph.D. Student Shreyans Jain. „In den kleineren Quantencomputern auf Ionenbasis kommen dagegen Paul-Fallen zum Einsatz.“

Die Idee der ETH-Forscher, zukünftige Quantencomputer auch mit Penningfallen zu bauen, stieß bei ihren Kollegen aus verschiedenen Gründen zunächst auf Skepsis. Steckfallen erfordern extrem starke Magnete, die sehr teuer und ziemlich sperrig sind.

Außerdem waren alle bisherigen Erkenntnisse zu Penningfallen sehr symmetrisch, was die an der ETH verwendeten Chip-Scale-Strukturen verletzen. Wenn das Experiment in einem großen Magneten untergebracht wird, ist es schwierig, die zur Steuerung der Qubits notwendigen Laserstrahlen in die Falle zu leiten, während starke Magnetfelder den Abstand zwischen den Energiezuständen der Qubits vergrößern. Dies wiederum macht die Steuerungslasersysteme deutlich komplexer: Anstelle eines einfachen Diodenlasers werden mehrere phasenstarre Laser benötigt.

Transport in beliebige Richtungen

Home und seine Mitarbeiter ließen sich von diesen Schwierigkeiten jedoch nicht abschrecken und konstruierten eine Penningfalle auf Basis eines supraleitenden Magneten und eines mikrogefertigten Chips mit mehreren Elektroden, die an der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig hergestellt wurde. Der verwendete Magnet liefert ein Feld von 3 Tesla, fast 100.000 Mal stärker als das Erdmagnetfeld. Mit einem System aus kryogen gekühlten Spiegeln gelang es den Zürcher Forschern, das nötige Laserlicht durch den Magneten zu den Ionen zu leiten.

Der Aufwand hat sich gelohnt: Ein einzelnes gefangenes Ion, das mehrere Tage in der Falle bleiben kann, ließ sich nun durch Ansteuerung der verschiedenen Elektroden beliebig auf dem Chip bewegen und Punkte „Luftlinie“ verbinden – das war bisher mit dem nicht möglich alter Ansatz basierend auf oszillierenden Feldern. Da zum Einfangen keine oszillierenden Felder erforderlich sind, können viele dieser Fallen auf einen einzigen Chip gepackt werden.

„Sobald sie aufgeladen sind, können wir die Elektroden sogar vollständig von der Außenwelt isolieren und so untersuchen, wie stark die Ionen durch äußere Einflüsse gestört werden“, sagt Tobias Sägesser, der als Doktorand an dem Experiment beteiligt war. Student.

Kohärente Kontrolle des Qubits

Die Forscher zeigten auch, dass die Qubit-Energiezustände des gefangenen Ions auch unter Beibehaltung quantenmechanischer Überlagerungen kontrolliert werden können. Die kohärente Kontrolle funktionierte sowohl mit den elektronischen (internen) Zuständen des Ions und den (externen) quantisierten Schwingungszuständen als auch mit der Kopplung der internen und externen Quantenzustände. Letzteres ist eine Voraussetzung für die Erzeugung verschränkter Zustände, die für Quantencomputer wichtig sind.

Als nächsten Schritt will Home zwei Ionen in benachbarten Penningfallen auf demselben Chip einfangen und so zeigen, dass Quantenoperationen auch mit mehreren Qubits durchgeführt werden können. Dies wäre der endgültige Beweis dafür, dass Quantencomputer mithilfe von Ionen in Penningfallen realisiert werden können. Der Professor hat auch andere Anwendungen im Sinn. Da die Ionen in der neuen Falle beispielsweise flexibel bewegt werden können, können sie zur Untersuchung elektrischer, magnetischer oder Mikrowellenfelder in der Nähe von Oberflächen eingesetzt werden. Dies eröffnet die Möglichkeit, diese Systeme als atomare Sensoren für Oberflächeneigenschaften zu nutzen.