Neue Ionenfalle eröffnet den Weg zu leistungsfähigeren Quantencomputern

Quantencomputer mit Ionen-Qubits können bisher nur schwer skaliert werden, was einer kommerziellen Nutzung im Weg steht. Physiker:innen ist es nun aber gelungen, geladene Teilchen in einem statischen statt in einem oszillierenden Feld zu kontrollieren. Diese Technik ermöglicht die Umsetzung von Ionen-Quantencomputern mit deutlich mehr Qubits als bisher.

Andere Ionenfalle führt zum Erfolg

Die meisten Quantencomputer arbeiten mit einer von zwei Methoden. Die Systeme von IBM oder Google verwenden supraleitende Ladungspunkte als Qubits. Der erste mobile Quantencomputer verwendet dagegen Ionen als Qubits. Dabei werden ultrakalte, geladene Atome in Ionenfallen aus oszillierenden elektrischen und magnetischen Feldern fixiert. Diese Fallen werden als Paul-Fallen bezeichnet. Mit dieser Methode können hochgradig zuverlässige Quantengatter erschaffen werden.

Diese oszillierenden Felder in den Paul-Fallen sind aber auch ein Problem. Denn sie erzeugen Wärme, die die Qubits aus ihren Überlagerungen und Verschränkungen reißen kann. Die Verschaltung der Qubits erfordert es außerdem, die verschiedenen Fallenzonen auf besondere Art und Weise zu verbinden, sodass der Transport der Ionen auf gerade, über Kreuzungen verbundene Linien beschränkt wird. Dies schränkt wiederum die Skalierbarkeit der Systeme ein: Mit Paul-Fallen können nur Quantencomputer umgesetzt werden, die maximal über 100 Ionen-Qubits verfügen.

Ein Team rund um Shreyans Jain von der ETH Zürich hat nun eine Alternative entwickelt. Dafür passten die Forscher:innen eine andere Form von Ionenfallen entsprechend an, die sogenannte Penningfalle. Diese Art der Ionenfalle fixiert die geladenen Atome nicht in oszillierenden Feldern, sondern in statischen. Dabei kommt es zu weniger Energieverlust und weniger Wärmeproduktion. Penningfallen benötigen jedoch sehr starke Magnete. Zudem ist es mit ihnen schwierig, Ionen einzeln zu manipulieren.

Neue Variante einer bekannten Methode

Jain und seine Kolleg:innen haben allerdings Mittel und Wege gefunden, um diese Probleme zu umgehen,. Sie konstruierten eine neue Variante der Penningfalle, die auf einem supraleitenden Magneten basiert. Dieser kann ein Magnetfeld von drei Tesla erzeugen, was etwa dem Hunderttausendfachen des Magnetfelds der Erde entspricht. Dieses Magnetfeld schließt einen Chip mit mehreren Elektroden ein, der wiederum ebenfalls ein statisches vierpoliges elektrisches Feld erzeugt. In Kombination dient diese Vorrichtung als Falle für ein positiv geladenes Beryllium-Ion, das über dem Mikrochip schwebt. Der Quantenzustand des Ions kann dann mit Hilfe eines Lasers oder von Mikrowellen kontrolliert und verändert werden, ohne dass die Überlagerung zusammenbricht. Das Ion wird dadurch zu einem vollwertigen Qubit.

Die vier Elektroden sowie das von ihnen erzeugte elektrische Feld erlaubt es außerdem, dass sich das Ionen-Qubit gezielt in der Falle bewegt. In einem Experiment ließen die Forscher:innen das Ion so hin und her springen, dass in einer Mehrfachmessung die Abkürzung „ETH“ entstand.

Mehr Möglichkeiten für Ionen-Quantencomputer

Das Team geht davon aus, mit dieser Variante der Penningfalle neue Chancen für Ionen-basierte Quantencomputer mit mehr Qubits als bisher eröffnet zu haben. „Es erleichtert die Umsetzung von großmaßstäbigen Ionenfallen-Quantencomputern, Quantensimulatoren und Quantensensoren„, so die Forscher:innen. Dank der rein statischen Feldern können in der Theorie viele solcher Fallen auf einem einzelnen Chip untergebracht werden.

Die Wissenschaftler:innen wollen nun zwei Ionen in auf einem Chip nebeneinander liegenden Penningfallen fangen und dann Quantenoperationen mit mehreren Qubits in einem derartigen System ausführen. Damit wäre die Umsetzbarkeit vom Quantencomputern mit Ionen in Penningfallen endgültig demonstriert. „Wir erwarten, dass unser Ansatz es der Ionenfallenphysik ermöglicht, ihre bisherigen Grenzen zu überwinden, und neue Wege im Computing, der Sensorik, der Simulation und Netzwerktechnik eröffnet„, so die Forscher:innen.

via ETH Zürich