Kopplung von Ionenfallen-Quantencomputern

Computer sind heutzutage unausweichliche Begleiter in unserem täglichem Leben. Jedes Jahr werden ihre Bauteile von Ingenieuren verkleinert und vor allem schneller gemacht. Extrapoliert man diese Entwicklung, wird man in etwa 20 Jahren an die Grenze kommen, bei der ein Bit in einem einzelnen Atom gespeichert wird. Für solche kleine Objekte versagt unsere Intuition allerdings nahezu komplett und wir müssen die Regeln der Quantenmechanik beachten. Ist es trotzdem möglich ein Computer basierend auf diesen neuen Regeln zu konstruieren? Interessanterweise kann ein solcher Quantencomputer nicht nur gebaut werden, er kann auch bestimmte mathematische Probleme wesentlich effizienter lösen als existierende Computer. Quantenbits, oder auch Qubits genannt, sind die Träger der Quanteninformation in solch einem Gerät. Sogar ein kleiner Quantencomputer mit nur 40 Qubits kann quantenmechanische Systeme simulieren, die die Kapazitäten heutiger Computer hoffnungslos überfordert. Für die Rechnungen müssen die Qubits mit hoher Güte initialisiert, manipuliert und ausgelesen werden. Für die Manipulation von Quantensysteme sind das extreme hohe Anforderungen. Trotzdem sind die Ziele mit gespeicherten Ionen schon für bis zu acht Qubits erreicht worden. Diese Arbeit eröffnet Wege, die Anzahl der verfügbaren Qubits durch die Kopplung von zwei oder mehr Ionenfallen mittels Drähten weiter zu erhöhen. So induziert die Bewegung eines gespeicherten Ions einen Strom in den Drähten, der sich dann auf die Bewegung der Ionen in einem anderem Quantencomputer auswirkt. Mit dieser Methode kann die Quanteninformation über supraleitende Drähte übertragen werden. Diese Kopplung zwischen verschiedenen Fallen kann nicht nur dazu benutzt werden, einen skalierbaren Quantencomputer zu bauen, sondern auch um die Quanteneigenschaften des Draht zu bestimmen. Zum Beispiel kann man durch kontinuierliches Kühlen eines Ions den Drähten ständig Energie entziehen und damit die thermische Bewegung der Elektronen in den Drähten nahezu einfrieren. Andererseits kann man einzelne Ionen nicht nur sehr gut kontrollieren, sondern ihren Quantenzustand auch nahezu perfekt auslesen. So könnte man ein einzelnes Ion als nahezu perfekten Quantenverstärker benutzen, um zu Beispiel Ströme von nur einem Milliardstel eines Milliardstel-Ampere zu messen.

Computer sind heutzutage unausweichliche Begleiter in unserem täglichem Leben. Jedes Jahr werden ihre Bauteile von Ingenieuren verkleinert und vor allem schneller gemacht. Extrapoliert man diese Entwicklung, wird man in etwa 20 Jahren an die Grenze kommen, bei der ein Bit in einem einzelnen Atom gespeichert wird. Für solche kleine Objekte versagt unsere Intuition allerdings nahezu komplett und wir müssen die Regeln der Quantenmechanik beachten. Ist es trotzdem möglich ein Computer basierend auf diesen neuen Regeln zu konstruieren? Interessanterweise kann ein solcher Quantencomputer nicht nur gebaut werden, er kann auch bestimmte mathematische Probleme wesentlich effizienter lösen als existierende Computer. Quantenbits, oder auch Qubits genannt, sind die Träger der Quanteninformation in solch einem Gerät. Sogar ein kleiner Quantencomputer mit nur 40 Qubits kann quantenmechanische Systeme simulieren, die die Kapazitäten heutiger Computer hoffnungslos überfordert. Für die Rechnungen müssen die Qubits mit hoher Güte initialisiert, manipuliert und ausgelesen werden. Für die Manipulation von Quantensysteme sind das extreme hohe Anforderungen. Trotzdem sind die Ziele mit gespeicherten Ionen schon für bis zu acht Qubits erreicht worden. Diese Arbeit eröffnet Wege, die Anzahl der verfügbaren Qubits durch die Kopplung von zwei oder mehr Ionenfallen mittels Drähten weiter zu erhöhen. So induziert die Bewegung eines gespeicherten Ions einen Strom in den Drähten, der sich dann auf die Bewegung der Ionen in einem anderem Quantencomputer auswirkt. Mit dieser Methode kann die Quanteninformation über supraleitende Drähte übertragen werden. Diese Kopplung zwischen verschiedenen Fallen kann nicht nur dazu benutzt werden, einen skalierbaren Quantencomputer zu bauen, sondern auch um die Quanteneigenschaften des Draht zu bestimmen. Zum Beispiel kann man durch kontinuierliches Kühlen eines Ions den Drähten ständig Energie entziehen und damit die thermische Bewegung der Elektronen in den Drähten nahezu einfrieren. Andererseits kann man einzelne Ionen nicht nur sehr gut kontrollieren, sondern ihren Quantenzustand auch nahezu perfekt auslesen. So könnte man ein einzelnes Ion als nahezu perfekten Quantenverstärker benutzen, um zu Beispiel Ströme von nur einem Milliardstel eines Milliardstel-Ampere zu messen.