Ein MEMS basierter Ionen-Knotenpunkt im Quantennetzwerk

So wie wir uns von der Grundlagenforschung in der Quantenphysik hin zu einer neuen Ära der Quanten-Technologien bewegen, wird daran gearbeitet, Laborexperimente, die deren grundlegende Machbarkeit zeigen, in kompakte und skalierbare Geräte umzusetzen. In diesem Projekt arbeiten wir an der Konstruktion eines skalierbaren Interface zwischen gefangenen Ionen eine der führenden Plattformen für Quanten-Technologien und einzelnen Photonen. Es wird erwartet, dass solche Interfaces einen wesentlichen Bestandteil von zukünftigen Quanten-Netzwerken darstellen. Wir werden eine Ionen-Falle testen, die auf einem Mikro-Elektronisch-Mechanischen-System (MEMS) basiert. MEMS sind Geräte, die aus sehr kleinen sich bewegenden Teilen bestehen und auf Technologien der Halbleiter-Industrie beruhen. Diese Technologie wird es uns ermöglichen, zwei optische Glasfasern in eine Ionen-Falle zu integrieren und die Position beider Fasern zu steuern. Die Facetten der beiden Fasern werden mit hoch reflektierenden Spiegeln beschichtet. Indem die Spiegel gegenüber positioniert werden, formen sie einen so genannten optischen Resonator. Der Resonator ermöglicht es uns, einzelne Lichtteilchen, Photonen, von einem einzelnen ionisierten Kalzium-Atom aufzusammeln. Es versetzt uns darüber hinaus in die Lage, Photonen effizient zu dem Ion zu bringen und die quantenmechanische Wechselwirkung zwischen dem Ion und dem Photon zu kontrollieren. Wir werden die Kernfrage untersuchen, ob dieses miniaturisierte Gerät mit der gegenwärtigen Leistung von viel größeren Labor-Aufbauten konkurrieren kann. Wenn ja, könnte es uns Quanten-Kommunikation in Netzwerken von Ionen über weite Strecken erlauben und uns Möglichkeiten eröffnen, die mit heutigen Netzwerken nicht umsetzbar sind. Zusammen mit unseren internationalen Partnern haben wir eine Machbarkeitsstudie über das geplante Design durchgeführt, die vielversprechende Ergebnisse erzielte. Dieses Projekt wird es uns nun ermöglichen, das Design in die Praxis umzusetzen und zu testen. In diesem Prozess werden wir neue Techniken entwickeln, die eine umfassende Relevanz für neue Quanten-Technologie haben. Dazu gehören neue Methoden zur Herstellung von Faser-Resonatoren mithilfe von Laser-Bearbeitung, sowie die Integration von Wellenleitern in Ionen-Fallen.

Im Übergang von der Grundlagenforschung der Quantenphysik hin zu einer neuen Ära der Quantentechnologien werden derzeit Anstrengungen unternommen, um Machbarkeitsnachweise aus Laborversuchen in kompakte und skalierbare Geräte zu überführen. Im Rahmen dieses Projekts lag unser Fokus auf der Entwicklung einer skalierbaren Quanten-Schnittstelle zur Vernetzung von Quantenprozessoren auf Basis gefangener Ionen. Gefangene Ionen gehören zu den führenden Plattformen für Quantentechnologien, und solche skalierbaren Schnittstellen werden voraussichtlich ein integraler Bestandteil zukünftiger Quantennetzwerke sein. Die Grundlage der Schnittstelle bildet ein optischer Resonator mit hoher Finesse, der aus zwei hochreflektierenden Spiegeln besteht, die jeweils an der Spitze eines optischen Faserkabels angebracht sind. Der Resonator wird durch die gegenüberliegende Anordnung der Fasern gebildet und ermöglicht es uns, einzelne Lichtteilchen, sogenannte Photonen, von einem einzelnen ionisierten Calciumatom zu sammeln. Darüber hinaus erlaubt er die effiziente Übertragung von Photonen zum Ion sowie die Kontrolle der quantenmechanischen Wechselwirkungen zwischen Ionen und Photonen. In Zusammenarbeit mit Kolleginnen und Kollegen der Seoul National University (SNU) haben wir eine Ionenfalle entwickelt, die mit mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) kompatibel ist. MEMS sind Geräte mit sehr kleinen beweglichen Teilen, die auf Fertigungstechnologien der Halbleiterindustrie basieren. In Zukunft werden diese MEMS-Technologien es ermöglichen, die Faserspiegel in die Ionenfalle zu integrieren und die Position jedes Spiegels so anzupassen, dass der Resonator ausgerichtet und stabilisiert werden kann. Unsere Kolleginnen und Kollegen an der SNU fertigten die Ionenfalle an, und wir testeten deren Funktion in einer Ultrahochvakuumkammer, die wir speziell für diese Experimente entworfen und gebaut haben. Parallel dazu wurden die MEMS-Geräte an der SNU entworfen und hergestellt. Aufgrund mehrerer Herausforderungen im Fertigungsprozess war es uns jedoch nicht möglich, vor Projektende die MEMS und Fasern mit der Ionenfalle zu integrieren. Als Zwischenschritt veröffentlichten wir eine Forschungsarbeit über den auf Silizium basierenden Ionenfallen-Chip und dessen Schutz vor Aufladungseffekten in Halbleitern. Dieses Projekt stellte einen entscheidenden ersten Schritt dar, um ein Gerät zu testen, das wir 2019 als vielversprechenden Ansatz für skalierbare Quanten-Schnittstellen vorgeschlagen hatten. Darüber hinaus wurde eine fortlaufende Zusammenarbeit mit Expertinnen und Experten in der Halbleiterfertigung etabliert, die es uns ermöglicht, mit Quantenhardware komplexer Geometrien zu arbeiten. Als nächsten Schritt planen wir, einen optischen Resonator mit den MEMS-gesteuerten Fasern zu konstruieren und die Kopplung von Ionen an diesen Resonator mit der aktuellen Leistung wesentlich größerer, handgefertigter Laboraufbauten zu vergleichen. Ziel ist es, zu verstehen, ob das miniaturisierte Gerät einen realistischen Weg für die Weiterentwicklung darstellt.