ETH Zürich Forscher entwickeln neue Methode für Quantencomputer mit Ionenfallen

Forscher der ETH Zürich haben einen bedeutenden Durchbruch erzielt: Sie konnten Ionen einfangen und an ihnen Quantenoperationen durchführen, indem sie statische elektrische und magnetische Felder verwendeten. Dieser Fortschritt könnte in Zukunft die Entwicklung von Quantencomputern mit deutlich mehr Quantenbits ermöglichen.

Die Quantenzustände der Elektronen in einem Atom folgen den Prinzipien der Quantenmechanik, was bedeutet, dass sie auf bestimmte, festgelegte Werte begrenzt sind. Diese quantisierten Zustände bilden die Grundlage für Quantenbits (Qubits), die für die Entwicklung von leistungsstarken Quantencomputern verwendet werden. Um Quantenbits zu erzeugen, müssen die Atome gekühlt und an einem bestimmten Ort eingefangen und festgehalten werden. Eine Möglichkeit, die Atome einzufangen, besteht darin, sie zu ionisieren und ihnen eine elektrische Ladung zu verleihen.

Bisher wurden für Quantencomputer Ionenfallen verwendet, die oszillierende (schwingende) elektrische und magnetische Felder verwenden. Diese Fallen, auch als Paul-Fallen bekannt, haben jedoch ihre Grenzen. Es gestaltet sich schwierig, Computer in größerem Maßstab mit dieser Technik zu realisieren, da das Zusammenführen mehrerer solcher Fallen auf einem Chip durch die oszillierenden Felder erschwert wird und zur Erwärmung der Falle führt.

Die Forscher der ETH Zürich haben nun gezeigt, dass es möglich ist, Ionenfallen für Quantencomputer auch mit statischen Magnetfeldern anstatt oszillierender Felder zu bauen. Dies eröffnet die Möglichkeit, Ionen entlang gerader Linien zu transportieren, die durch Kreuzungen verbunden sind. In den sogenannten Penning-Fallen, die statische Fallen mit zusätzlichem Magnetfeld sind, können sowohl der Transport als auch die erforderlichen Operationen für zukünftige Quantencomputer durchgeführt werden.

Die Idee, Penning-Fallen für den Bau von Quantencomputern zu verwenden, stieß zunächst auf Skepsis bei anderen Forschern. Es gab Bedenken hinsichtlich der starken und teuren Magnete, die für Penning-Fallen benötigt werden, sowie der Schwierigkeit, Experimente in einem großen Magneten durchzuführen und gleichzeitig die benötigten Laserstrahlen zur Kontrolle der Qubits in die Falle zu leiten.

Trotz dieser Herausforderungen ließen sich die Forscher der ETH Zürich nicht entmutigen. Sie entwickelten eine Penning-Falle, die auf einem supraleitenden Magneten und einem mikrofabrizierten Chip mit mehreren Elektroden basiert. Mit Hilfe eines Systems von gekühlten Spiegeln gelang es ihnen, das erforderliche Laserlicht durch den Magneten zu den Ionen zu leiten.

Ein einzelnes gefangenes Ion kann nun mithilfe der gezielten Ansteuerung der verschiedenen Elektroden auf dem Chip in gerader Linie und in jede gewünschte Richtung bewegt werden. Aufgrund der Tatsache, dass keine schwingenden Felder benötigt werden, um die Teilchen einzufangen, besteht die Möglichkeit, viele solcher Fallen auf einem Chip zu platzieren.

Die Forscher haben gezeigt, dass es möglich ist, die Qubit-Energiezustände des gefangenen Ions zu kontrollieren, während die quantenmechanische Überlagerung erhalten bleibt. Eine Kopplung zwischen den inneren und äußeren Quantenzuständen konnte hergestellt werden, was eine Voraussetzung für die Erzeugung von Verschränkungszuständen ist, die für Quantencomputer von großer Bedeutung sind.

Als nächstes plant das Team, zwei Ionen in benachbarten Penning-Fallen auf demselben Chip einzufangen, um zu zeigen, dass auch Quantenoperationen mit mehreren Qubits möglich sind. Wenn dies gelingt, wäre es ein weiterer Schritt in Richtung der Umsetzung von Quantencomputern mit Ionen in Penning-Fallen.

Der Forschungsleiter Jonathan Home sieht auch weitere Anwendungsmöglichkeiten für diese Technologie. Durch die Möglichkeit, die Ionen beliebig zu bewegen, könnten elektrische, magnetische oder Mikrowellenfelder in der Nähe von Oberflächen mit Hilfe der Ionen gemessen werden. Dies ermöglicht den Einsatz solcher Systeme als atomare Sensoren zur Messung von Oberflächeneigenschaften.

Die Ergebnisse der Forscher der ETH Zürich wurden in der wissenschaftlichen Zeitschrift Nature veröffentlicht.

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