Isolatoren bringen Quantenbits zum Schwitzen

In the ion trap, the distance between the ions and optics can be precisely adjusted.
Uni Innsbruck

Schwachleitende oder nichtleitende Materialien haben Innsbrucker Physiker um Tracy Northup als wichtige Quelle für Störungen in Ionenfallen-Quantencomputern identifiziert. Sie haben eine neue Methode entwickelt, mit der diese Fehlerquelle erstmals quantifiziert werden kann. Um Quantencomputer mit sehr vielen Quantenbits betreiben zu können, müssen solche Störquellen schon in der Entwicklung möglichst vermieden werden.

Quantentechnologien basieren auf den quantenmechanischen Eigenschaften von Licht, Elektronen und Atomen. In den vergangenen Jahrzehnten hat die Wissenschaft gelernt, diese Phänomene zu beherrschen und in Anwendungen auszunutzen. So rückt auch der Bau eines Quantencomputers für kommerzielle Anwendungen in greifbare Nähe.

Eine der Technologien, die derzeit sehr erfolgreich vorantrieben wird, sind Ionenfallen-Quantencomputer. Hier werden geladene Teilchen mit elektromagnetischen Feldern in einer Vakuumkammer gefangen und so präpariert, dass sie als Träger für Information dienen und mit ihnen gerechnet werden kann. Die quantenmechanischen Eigenschaften, die man sich dabei zunutze macht, sind allerdings sehr störungsanfällig. Schon kleinste Unzulänglichkeiten können die stark gekühlten Teilchen aufheizen und so zu Fehlern bei der Verarbeitung der Quanteninformation führen.

Eine mögliche Quelle für solche Störungen sind schwach- oder nichtleitende Materialien, die zum Beispiel als Isolatoren in den metallischen Ionenfallen zum Einsatz kommen, oder etwa Optiken, die für die Kopplung mit Laserlicht notwendig sind. „Selbst bei Ionenfallen, die ausschließlich aus Metall bestehen, würden Oxidschichten auf den Metallen solche Störungen verursachen“, erläutert Tracy Northup vom Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck. Northups Team hat zusammen mit Kooperationspartnern in Innsbruck und in den USA einen Weg gefunden, wie der Einfluss dielektrischer Materialien auf die geladenen Teilchen in Ionenfallen bestimmt werden kann.

Experimentell bestätigt

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Blick in die Vakuumkammer, in der die Ionenfalle vor äußeren Störungen isoliert wird.
(c) Uni Innsbruck

Gelungen ist den Innsbrucker Quantenphysikern dies, weil sie über eine Ionenfalle verfügen, in der sie den Abstand zwischen den Ionen und dielektrischen Optiken genau einstellen können. Basierend auf einem früheren Vorschlag der Arbeitsgruppe um Rainer Blatt haben die Physiker den Umfang des durch das dielektrische Material verursachten Rauschens für diese Ionenfalle rechnerisch ermittelt und mit Daten aus dem Experiment verglichen. „Theorie und Experiment stimmen sehr gut überein und bestätigen, dass diese Methode gut dafür geeignet ist, den Einfluss von dielektrischen Materialien auf die Ionen zu bestimmen“, erklärt Markus Teller aus dem Innsbrucker Team.

Bei der Berechnung des Rauschens kam das sogenannte Fluktuations-Dissipations-Theorem aus der Statistischen Physik zur Anwendung, das die Reaktion eines Systems im thermischen Gleichgewicht auf eine kleine äußere Störung mathematisch beschreibt.

„In Quantencomputern gibt es viele mögliche Quellen für Störungen, und es ist sehr schwierig die genauen Ursachen auseinander zu halten“, sagt Tracy Northup. „Mit unserer Methode gelingt es erstmals, den Einfluss dielektrischer Materialien auf die in Ionenfallen gefangenen Teilchen zu quantifizieren. Die Entwickler von Ionenfallen-Quantencomputern werden in Zukunft diesen Einfluss viel besser einschätzen können und ihre Geräte so konstruieren, dass diese Störungen minimiert werden.“ Nachdem die Innsbrucker Physiker die Methode an ihrer eigenen Ionenfallen erprobt haben, wollen sie nun deren Einsatz an Ionenfallen befreundeter Forschungsgruppen in den USA und der Schweiz erproben.

Finanziell unterstützt wurden die Forschungen unter anderem vom österreichischen Wissenschaftsfonds FWF und der Europäischen Union. Veröffentlicht wurde die neue Methode in der Fachzeitschrift Physical Review Letters.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Markus Teller
Institut für Experimentalphysik
Universität Innsbruck
Tel.: +43 512 507 52401
E-Mail: markus.teller@uibk.ac.at
Web: https://www.uibk.ac.at/exphys/quantum-interfaces/

Originalpublikation:

Heating of a trapped ion induced by dielectric materials. Markus Teller, Dario A. Fioretto, Philip C. Holz, Philipp Schindler, Viktor Messerer, Klemens Schüppert, Yueyang Zou, Rainer Blatt, John Chiaverini, Jeremy Sage, and Tracy E. Northup. Phys. Rev. Lett. 126, 230505 doi: 10.1103/PhysRevLett.126.230505 https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.126.230505

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