Quantensimulationen in frei wählbaren Ionengittern

Im Laufe der letzten Jahre haben mehrere grundlegende Experimente gezeigt, dass gefangene Ionen ein nützliches System für Quantensimulationen bilden. Durch vielfältigere Fallenpotentiale, jenseits des derzeit verwendeten eindimensionalen Potentialtopfes, könnten Gitterstrukturen von Ionen realisiert werden, wodurch neue Möglichkeiten für Simulationen zugänglich würden. Insbesondere könnten so Simulationen durchgeführt werden, die sogar auf gegenwärtigen universellen Quantensimulatoren unausführbar sind. Wir präsentieren hier einen Forschungsplan mit dem Ziel, Quantensimulationen in komplexeren Potentialen zu demonstrieren. Diese verwenden zum einen anharmonische Terme höherer Ordnung und zum anderen Potentiale höherer Dimensionalität. In der ersten Methode schlagen wir vor, gewöhnliche segmentierte Fallen in einer neuen Weise zu betreiben, so dass die Ionen in einem anharmonischen statt einem harmonischen Potiential gefangen werden. In diesem System werden wir Methoden zur Kontrolle und zum Kühlen entwickeln, die in komplexeren Fallen benötigt werden. Wir werden dann neue Fallen entwickeln, zur Erzeugung periodischer Potentiale für eine hochflexible, skalierbare und robuste Architektur zur Quantensimulation. In diesen Fallen werden wir die grundlegenden Elemente einer Quantensimulation in Potentialen höerer Ordnung demonstrieren. In parallel werden wir in dieser Arbeit Fallen für zweidimensionale Arrays von Ionen entwickeln, die neuartige Realisierungen von Quantensimulationen qualitativ erleichtern. Nachdem wir in Vorarbeiten die grundlegende Technologie an einem millimetergroßen Muster demonstriert haben, werden wir nun die Dimension der Falle um eine Größenordnung verkleinern, wodurch eine kohärente Wechselwirkung der Qubits ermöglicht wird. Wir werden die dazu benötigte Elektronik und Optik entwickeln, um so eine Skalierung auf eine große Anzahl von Ionen zu ermöglichen. Außerdem werden wir die grundlegenden Elemente von Quantensimulationen in zwei Dimensionen demonstrieren. Die Theorie von Simulationen in beliebig strukturierten Gittern ist ein sich derzeit schnell entwickelndes Forschungsgebiet. Es ist geplant, die ein- als auch die zweidimensionalen Systeme dieses Forschungsantrags für Simulationen von Gittereichtheorien und Vakuumzerfall zu verwenden. Darüber hinaus werden wir eng mit der Theorie zusammenarbeiten, um die neuen Möglichkeiten aufgrund der neuartigen Architektur auszuloten.

Ziel des Q-SAIL Projektes war es, neue Konfigurationen von Ionenfallen für Quantensimulation zu entwickeln. Bisher wurden Quantensimulationen mit Ionen experimentell realisiert indem Ionen in linearen Ketten gehalten wurden. Für eine Fülle weiterer Quantensimulationen ist es allerdings notwendig, komplexere Fallenkonfigurationen zu verwenden. Eine mögliche dieser komplexeren Fallen hält jedes der Ionen aus der Kette in einem eigenen Potentialtopf. Indem man die einzelnen Potentialtöpfe kontrolliert, kann so die Wechselwirkung zwischen einzelnen Ionen effizient kontrolliert werden. Eine weitere Art komplexer Ionenfallen fängt die Ionen in einer zweidimensionalen Anordnung. So kann man Festkörpersysteme wesentlich effizienter simulieren als mit eindimensionalen Ketten. Solche komplexe Fallenkonfigurationen mit speziell designten Elektrodenstrukturen sollen mittels Mikrofabrikation hergestellt werden. Als erster Schritt zur Quantenmanipulation langer eindimensionaler Ionenketten gelang uns die Laserkühlung von 18 Ionen. Hierbei wurden alle radialen Bewegungsmoden in den niedrigsten Quantenzustand gebracht. Gleichzeitig haben wir in Kollaboration mit der Fachhochschule Vorarlberg Ionenfallen entwickelt, die mithilfe von lithographischen Verfahren mikrofabriziert wurden. In einer auf hochreinem Silizium mikrofabrizierten eindimensionalen Falle, welche bei nur 10 K betrieben wird, konnten wir ein Ion für über eine Sekunde im quantenmechanischen Bewegungsgrundzustand halten und somit eine entscheidende Voraussetzung für Quantensimulationen erfüllen. Trotz dieses zunächst exzellenten Ergebnisses wurden die Siliziumfallen nicht weiter verwendet, da wir herausfanden, dass das Fallenpotential allein bei Einfall von Laserstreulicht zu driften beginnt. Als funktionelle Alternative konnten wir Fallen aus YBCO herstellen lassen, einer supraleitenden Keramik mit einer Übergangstemperatur von 85 K. Mit YBCO Fallen haben wir einerseits als Erste den Übergang zum Superleiter mittels eines gefangenen Ions gemessen und andererseits gezeigt, dass diese Fallen für Experimente mit eindimensionaler Konfigurationen geeignet sind. Als zweidimensionale Ionenkonfiguration haben wir eine Falle realisiert, in welcher 16 individuelle Fallentöpfe in einer 4x4 Matrix angeordnet sind. Die Mikrofabrikation dieser 2D Fallen ist höchst anspruchsvoll. Die Anordnung der Elektroden macht die Schichtung zweier elektrisch leitender Metalllagen erforderlich, welche durch eine dritte, isolierende Lage separiert sind. So musste der Fabrikationsprozess iterativ verbessert werden, bis wir Fallen produzieren konnten, die den erforderlichen Spannungen Stand hielten. Die so erzeugten und bereits getesteten 2D Fallen werden nun 2017 im Experiment eingebaut werden. In einem weiteren experimentellen Aufbau haben wir untersucht, wie man statische Ladungen in Ionenfallen unterdrücken bzw. kontrollieren kann. Statische Ladungen generieren unkontrollierte elektrische Streufelder, welche das Fallenpotential der Mikrofalle beeinflussen und so die Stärke der Ion-Ion Wechselwirkung, dem entscheidenden Parameter für Quantensimulationen, verändern. In unserem Experiment konnten wir eine isolierende Oberfläche einerseits erfolgreich positiv oder negativ laden und andererseits entladen, indem wir Photoelektronen mit genau definierter Energie auf die Oberfläche lenkten. Diese Technik ist über Ionenfallenexperimente hinaus höchst interessant für Präzisionsexperimente, die unter Hochvakuum arbeiten und bei denen statische Ladungen die Messergebnisse beeinflussen.