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Monolithische Ionenfalle soll den Bau von Quantensimulatoren erleichtern
Viele Quantensimulationen erfordern Ionenfallen, die starke elektrische Felder und eine besonders ruhige Bewegung der Teilchen ermöglichen. Eine neue dreidimensionale Falle aus einem einzigen Glaskörper erreicht diese Kombination nun auch mit relativ schweren Ytterbium-Ionen. Bei Tests zeigte das System geringe Aufheizraten und erlaubte es, zwei Ionen gezielt zu verschränken.
Houston (U.S.A.). Viele quantenphysikalische Vorgänge sind mit klassischen Computern nur schwer zu berechnen, weil die möglichen Zustände wechselwirkender Teilchen rasch zunehmen. Ein Ausweg sind Quantensimulatoren, die solche Vorgänge mit kontrollierbaren Teilchen im Labor nachbilden. So ließen sich bereits schwer berechenbare Quantenprozesse mit gefangenen Ionen simulieren.
Die dafür benötigten Ionenfallen halten elektrisch geladene Atome mit Feldern in der Schwebe, während Laser ihre Zustände und Wechselwirkungen steuern. Konventionelle dreidimensionale Fallen liefern günstige experimentelle Bedingungen, müssen aber aus mehreren Teilen präzise zusammengesetzt werden. Flache, mikrofabrizierte Chipfallen lassen sich dagegen reproduzierbarer fertigen, haben jedoch andere Einschränkungen bei Einschluss und optischem Zugang.
Forscher der Rice University um Abhishek Menon haben nun eine segmentierte dreidimensionale Falle entwickelt und mit Ytterbium-Ionen erprobt. Die Arbeit zeigt, dass sich die Vorzüge beider Bauarten in einer einzigen Struktur verbinden lassen, und dabei die für schwere Ionen erforderlichen hohen Spannungen verträgt. Zuvor waren vergleichbare monolithische Bauformen vor allem mit leichteren Ionen wie Calcium getestet worden.
Ausgangspunkt der neuen Ionenfalle ist ein Block aus Quarzglas, in den mithilfe von Lasern und chemischem Ätzen fein strukturierte Kanäle und Trennfugen eingearbeitet wurden. Anschließend erhielt die Struktur metallische Elektroden und eine Goldbeschichtung. Die Fugen isolieren benachbarte Elektroden voneinander und verhindern unter hoher elektrischer Spannung Überschläge im Vakuum.
Der Abstand zwischen den gefangenen Ionen und den Elektroden beträgt nur 250 Mikrometer. Trotzdem bleibt von mehreren Seiten genügend Platz, um Laserstrahlen einzukoppeln und das von den Ionen ausgesandte Licht zu erfassen. Unabhängig ansteuerbare Elektrodenabschnitte erlauben es außerdem, das elektrische Potenzial entlang einer ganzen Ionenkette gezielt zu formen.
„Bei unserer monolithischen Ionenfalle wollten wir die leistungsfähigen Eigenschaften und die Zugänglichkeit der Klingenfalle mit der Skalierbarkeit und Modularität der Chipfalle verbinden, und zwar so, dass sie auch mit schwereren Ionen kompatibel ist. Indem wir die schwierigeren technischen Probleme beim Einfangen schwererer Ionen lösen, vereinfachen wir zugleich das Einfangen leichterer Ionen und die weitere Nutzung dieser Falle für verschiedene Quantentechnologien“, erklärt Abhishek Menon.
Bis die Anordnung funktionierte, waren mehrere Verbesserungen nötig. Der erste Prototyp erwärmte sich bei der benötigten Hochfrequenzspannung so stark, dass Teile der Falle sichtbar glühten. Die zweite Bauform löste wesentliche Temperaturprobleme, zeigte aber unerwünschte Bewegungen entlang der Fallenachse und eine zu starke Aufheizung der Ionen.
Erst die dritte Generation kombinierte eine verbesserte Wärmeableitung mit geringerer Mikrobewegung der Ionen und einer Plasmabehandlung der Elektrodenoberflächen. Das Team testete die Anordnung mit positiv geladenen Ytterbium-Ionen bei hohen Hochfrequenzspannungen. Dabei ließ sich unter anderem eine Kette aus 19 gefangenen Ionen bilden.
Die Messungen bestätigten die Stabilität und eine geringe Störung der gemeinsamen Ionenbewegung. Bei einer radialen Schwingungsfrequenz von ungefähr drei Megahertz ermittelten die Forscher nahe Raumtemperatur eine Bewegungsaufheizung von nur 1,1 ± 0,1 Schwingungsquanten pro Sekunde. Die Kohärenzzeit einer gemessenen kollektiven Schwingung lag bei rund 96 Millisekunden.