Hybride Quantenelektronik mit einzelnen Ionen

Mit Quantencomputern wird es möglich sein, bestimmte Probleme effizienter zu lösen, als dies mit herkömmlichen Computern der Fall ist. Innerhalb der letzten Jahre wurden beachtliche Fortschritte in der Entwicklung eines solchen Geräts erzielt, ein nützlicher Quantencomputer scheint jedoch in näherer Zukunft nicht realisierbar zu sein. Zurzeit werden verschiedene physikalische Systeme auf ihre Eignung als Basis eines Quantencomputers untersucht, wobei jedes System spezifische Stärken und Schwächen aufweist. Es liegt deswegen nahe, mehrere physikalische Systeme zu einem hybriden System zu kombinieren um die jeweiligen Stärken auszunutzen. In diesem Antrag wird ein hybrides System bestehend aus supraleitenden elektronischen Schaltungen und atomaren Systemen behandelt. Konkret handelt es sich um ein hybrides System, dass sich aus gespeicherten Ionen und Josephson qubits zusammensetzt. Eine Kombination dieser Systeme scheint sinnvoll, da gespeicherte Ionen Quanteninformation länger als eine Sekunde speichern können und Josephson Qubits schnelle Rechenoperationen in weniger als einer Mikrosekunde erlauben. Als ein erstes Experiment in diese Richtung ist es geplant, die quantenmechanische Bewegung eines einzelnen gespeicherten Ions an einen supraleitenden Resonator zu koppeln. Der Kopplungsmechanismus beruht auf dem Prinzip, dass ein bewegter Ladungsträger (das Ion) einen elektrischen Wechselstrom darstellt, und somit direkt den Zustand eines quantenmechanischen elektrischen Resonators beeinflussen kann. Die größten technischen Hürden um so eine Kopplung zu realisieren sind: Impedanzanpassung: Die effektive Impedanz eines eines einzelnen Ions ist um Größenordnungen höher, als die Impedanz gebräuchlicher supraleitender Resonatoren. Frequenzunterschied: Supraleitende Quantensysteme arbeiten mit Frequenzen im Gigahertzbereich, wohingegen die Bewegung des Ions nur eine Frequenz von einigen Megahertz aufweist. Im Laufe des Projektes ist es geplant, mithilfe von zwei unabhängigen Experimenten diese Probleme zu lösen. Ein Experiment wird die Bewegung eines Ions direkt bei einer Frequenz von einigen Megahertz mit einem supraleitenden Resonator koppeln. Die erwartete Kopplungsstärke dominiert die unerwünschte Kopplung an die klassische Umgebung und somit kann das Regime der starken Kopplung erreicht werden. Dabei handelt es sich um ein laufendes Experiment, in dem schon wichtige Schritte zum Erreichen dieses Ziels gesetzt worden sind. Das zweite Experiment versucht, den Frequenzunterschied zwischen den beiden Systemenzu überbrücken. Dies wird mithilfe eines neuartigen Kopplungsmechanismus ermöglicht werden, der einen Frequenzunterschied von mehr als einer Dekade ermöglichen sollte. Dieser Mechanismus hat den Vorteil, dass das niederfrequente Signal der Ionenbewegung in ein höherfrequentes Signal transformiert wird, bevor es den Festkörper erreicht. Dies hat den Vorteil, dass das Signal nicht dem erhöhten niederfrequenten Rauschen des Festkörpers ausgesetzt wird.

Mit Quantencomputern wird es möglich sein, bestimmte Probleme effizienter zu lösen, als dies mit herkömmlichen Computern der Fall ist. Innerhalb der letzten Jahre wurden beachtliche Fortschritte in der Entwicklung eines solchen Geräts erzielt, ein nützlicher Quantencomputer scheint jedoch in näherer Zukunft nicht realisierbar zu sein. Zurzeit werden verschiedene physikalische Systeme auf ihre Eignung als Basis eines Quantencomputers untersucht, wobei jedes System spezifische Stärken und Schwächen aufweist. Es liegt deswegen nahe, mehrere physikalische Systeme zu einem hybriden System zu kombinieren um die jeweiligen Stärken auszunutzen. Im Laufe des vorliegenden Projekts wurde eine Schnittstelle zwischen supraleitenden elektronischen Schaltungen und atomaren Systemen untersucht. Das würde ein System ermöglichen in dem die Verarbeitung der Information in supraleitenden Bauteilen vorgenommen wird, und die atomaren Bauteile des Systems einen Langzeitspeicher bilden. Im Verlauf dieses Projekts konnte ein Energietransfer von einem elektronischen Schaltkreis zu einem einzelnen gespeicherten Atom gezeigt werden. Dies ist eine wichtige Grundlage zur Entwicklung eines hybriden Quantencomputers.