Forscher der ETH Z\u00fcrich haben einen bedeutenden Durchbruch erzielt: Sie konnten Ionen einfangen und an ihnen Quantenoperationen durchf\u00fchren, indem sie statische elektrische und magnetische Felder verwendeten. Dieser Fortschritt k\u00f6nnte in Zukunft die Entwicklung von Quantencomputern mit deutlich mehr Quantenbits erm\u00f6glichen.<\/p>\n
Die Quantenzust\u00e4nde der Elektronen in einem Atom folgen den Prinzipien der Quantenmechanik, was bedeutet, dass sie auf bestimmte, festgelegte Werte begrenzt sind. Diese quantisierten Zust\u00e4nde bilden die Grundlage f\u00fcr Quantenbits (Qubits), die f\u00fcr die Entwicklung von leistungsstarken Quantencomputern verwendet werden. Um Quantenbits zu erzeugen, m\u00fcssen die Atome gek\u00fchlt und an einem bestimmten Ort eingefangen und festgehalten werden. Eine M\u00f6glichkeit, die Atome einzufangen, besteht darin, sie zu ionisieren und ihnen eine elektrische Ladung zu verleihen.<\/p>\n
Bisher wurden f\u00fcr 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 gr\u00f6\u00dferem Ma\u00dfstab mit dieser Technik zu realisieren, da das Zusammenf\u00fchren mehrerer solcher Fallen auf einem Chip durch die oszillierenden Felder erschwert wird und zur Erw\u00e4rmung der Falle f\u00fchrt.<\/p>\n
Die Forscher der ETH Z\u00fcrich haben nun gezeigt, dass es m\u00f6glich ist, Ionenfallen f\u00fcr Quantencomputer auch mit statischen Magnetfeldern anstatt oszillierender Felder zu bauen. Dies er\u00f6ffnet die M\u00f6glichkeit, Ionen entlang gerader Linien zu transportieren, die durch Kreuzungen verbunden sind. In den sogenannten Penning-Fallen, die statische Fallen mit zus\u00e4tzlichem Magnetfeld sind, k\u00f6nnen sowohl der Transport als auch die erforderlichen Operationen f\u00fcr zuk\u00fcnftige Quantencomputer durchgef\u00fchrt werden.<\/p>\n
Die Idee, Penning-Fallen f\u00fcr den Bau von Quantencomputern zu verwenden, stie\u00df zun\u00e4chst auf Skepsis bei anderen Forschern. Es gab Bedenken hinsichtlich der starken und teuren Magnete, die f\u00fcr Penning-Fallen ben\u00f6tigt werden, sowie der Schwierigkeit, Experimente in einem gro\u00dfen Magneten durchzuf\u00fchren und gleichzeitig die ben\u00f6tigten Laserstrahlen zur Kontrolle der Qubits in die Falle zu leiten.<\/p>\n
Trotz dieser Herausforderungen lie\u00dfen sich die Forscher der ETH Z\u00fcrich 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 gek\u00fchlten Spiegeln gelang es ihnen, das erforderliche Laserlicht durch den Magneten zu den Ionen zu leiten.<\/p>\n
Ein einzelnes gefangenes Ion kann nun mithilfe der gezielten Ansteuerung der verschiedenen Elektroden auf dem Chip in gerader Linie und in jede gew\u00fcnschte Richtung bewegt werden. Aufgrund der Tatsache, dass keine schwingenden Felder ben\u00f6tigt werden, um die Teilchen einzufangen, besteht die M\u00f6glichkeit, viele solcher Fallen auf einem Chip zu platzieren.<\/p>\n
Die Forscher haben gezeigt, dass es m\u00f6glich ist, die Qubit-Energiezust\u00e4nde des gefangenen Ions zu kontrollieren, w\u00e4hrend die quantenmechanische \u00dcberlagerung erhalten bleibt. Eine Kopplung zwischen den inneren und \u00e4u\u00dferen Quantenzust\u00e4nden konnte hergestellt werden, was eine Voraussetzung f\u00fcr die Erzeugung von Verschr\u00e4nkungszust\u00e4nden ist, die f\u00fcr Quantencomputer von gro\u00dfer Bedeutung sind.<\/p>\n
Als n\u00e4chstes plant das Team, zwei Ionen in benachbarten Penning-Fallen auf demselben Chip einzufangen, um zu zeigen, dass auch Quantenoperationen mit mehreren Qubits m\u00f6glich sind. Wenn dies gelingt, w\u00e4re es ein weiterer Schritt in Richtung der Umsetzung von Quantencomputern mit Ionen in Penning-Fallen.<\/p>\n
Der Forschungsleiter Jonathan Home sieht auch weitere Anwendungsm\u00f6glichkeiten f\u00fcr diese Technologie. Durch die M\u00f6glichkeit, die Ionen beliebig zu bewegen, k\u00f6nnten elektrische, magnetische oder Mikrowellenfelder in der N\u00e4he von Oberfl\u00e4chen mit Hilfe der Ionen gemessen werden. Dies erm\u00f6glicht den Einsatz solcher Systeme als atomare Sensoren zur Messung von Oberfl\u00e4cheneigenschaften.<\/p>\n
Die Ergebnisse der Forscher der ETH Z\u00fcrich wurden in der wissenschaftlichen Zeitschrift Nature ver\u00f6ffentlicht.<\/p>\n
Schlagw\u00f6rter: ETH + ETH-\u200bDoktorand Shreyans Jain + Home<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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