Aus einem Guss: Monolithische Ionenfalle macht Quantensimulatoren zugänglicher

Manche Quantensysteme überfordern selbst Supercomputer. Schon bei wenigen wechselwirkenden Teilchen wächst die Zahl der möglichen Zustände so stark, dass klassische Rechner an ihre Grenzen stoßen. Physiker:innen weichen deshalb auf Quantensimulatoren aus: Sie bauen im Labor ein kontrollierbares Quantensystem und stimmen es so ab, dass es das gesuchte System nachahmt. Eine verbreitete Plattform dafür sind gefangene Ionen. Elektrische Felder halten eine Reihe geladener Atome in der Schwebe, Laser steuern ihre Zustände und lassen sie miteinander wechselwirken. Ein Team der Rice University hat nun eine Falle entwickelt, die in monolithischer Bauweise auch schwere Ytterbium-Ionen hält.

Zwischen Klingenfalle und Chipfalle

Bisher standen Forscher:innen vor einem Kompromiss. Klingenfallen liefern hohe Leistung, doch Menschen setzen sie von Hand zusammen. Das begrenzt die geometrische Präzision und erschwert den Nachbau. Mikrofabrizierte Chipfallen sind flach, präzise und modular, erreichen aber nicht die Leistung der Klingenfallen. Monolithische dreidimensionale Fallen sollten beide Stärken vereinen, funktionierten jedoch nur mit leichten Ionen wie Calcium. Das Team um Guido Pagano, Abhishek Menon und Roman Zhuravel baute die Falle gemeinsam mit der Duke University und der Firma Translume. Die Ergebnisse erschienen in der Fachzeitschrift Physical Review Applied.

Ein Block Quarzglas, drei Generationen

Die Falle beginnt als Block aus Quarzglas. Laser und chemisches Ätzen schaffen darin Kanäle für die Ionen und Gräben für die Elektroden, danach folgt eine Goldbeschichtung. Die Gräben isolieren die Elektroden voneinander. Sie verhindern Kurzschlüsse beim Beschichten und elektrische Überschläge im Vakuum. Zwischen Ionen und Elektroden liegen nur 250 Mikrometer, trotzdem bleibt Platz für Laserstrahlen und Detektoren. Einzeln ansteuerbare Elektrodenabschnitte formen das elektrische Potenzial entlang der Ionenkette.

Bis dahin brauchte das Team drei Anläufe. Der erste Prototyp glühte bei der nötigen Hochfrequenzspannung sichtbar im Vakuum. Die zweite Version löste das Wärmeproblem, zeigte aber starke Mikrobewegung der Ionen entlang der Fallenachse und hohe Aufheizraten. Die dritte Generation bekam eine bessere Wärmeableitung und eine Plasmabehandlung der Oberflächen.

Messwerte der dritten Generation

Mit dieser Version fing das Team eine Kette aus 19 Ytterbium-Ionen. Bei einer radialen Schwingungsfrequenz von etwa drei Megahertz heizte sich die Bewegung nahe Raumtemperatur nur um 1,1 ± 0,1 Schwingungsquanten pro Sekunde auf. Eine gemessene kollektive Schwingung blieb rund 96 Millisekunden kohärent. Außerdem verschränkten die Forscher:innen zwei Ionen zu einem Bell-Zustand. Der um Präparations- und Auslesefehler korrigierte Paritätskontrast erreichte 99,3 Prozent. Diese Zahl beschreibt den Kontrast eines Quantensignals und sagt nichts über die Zuverlässigkeit einer vollständigen Rechenoperation aus.

Noch keine Simulation

Pagano nennt den Ladungstransfer bei der Photosynthese als mögliches Anwendungsfeld. Bisher beschreibt und vermisst die Arbeit jedoch eine neue Hardwareplattform. Eine Simulation der Photosynthese oder eines anderen Vielteilchenproblems steht aus. Auch das Versprechen besserer Reproduzierbarkeit muss sich erst bei mehreren gefertigten und eingesetzten Fallen beweisen. Gelingt das, könnten laut Zhuravel auch universitäre Labore Quantensimulatoren mit gefangenen Ionen betreiben. Sie würden schwierige Quantenprobleme zunächst auf lösbare Varianten vereinfachen und die Ergebnisse anschließend auf größere, komplexere Systeme übertragen.

via Rice University

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