Quantenhardware

Realisierung eines skalierbaren Quantencomputers

Im Projekt »Advanced quantum computing with trapped ions« (AQTION), einem Bestandteil des Quanten-Flaggschiff-Programms der EU, wird ein skalierbarer Quantencomputer realisiert. Dieser wird an der Universität Innsbruck, dem Konsortialführer des AQTION-Verbunds, aufgebaut.

Forscherinnen und Forscher am Fraunhofer IOF entwickeln innerhalb dieses Programms einen laseroptischen Aufbau, der die Manipulation von Ionen in einer Ionenfalle für Quantencomputer ermöglicht.

Zustand der Ionen messen

In diesem Quantenrechner werden die Quantenbits durch in einer Ionenfalle gefangene Ca⁺-Ionen repräsentiert. Zur Präparation der Quantenzustände und zur Bewerkstelligung der Rechenoperationen auf dem Quantengatter wird Laserlicht verschiedener Wellenlängen eingesetzt. Dazu werden u. a. Einzelionen mit einem Adressierstrahl mit der Wellenlänge 729 nm beleuchtet. Das Ergebnis der Rechenoperationen wird anhand des Zustands der Ionen, die in der Falle als lineare Kette angeordnet sind, »ausgelesen«. Der Zustand des Ions zum Zeitpunkt der Messung ergibt sich daraus, ob bei dieser ein Fluoreszenzsignal erzeugt wird oder nicht.

Korrekte Adressierung der Ionen

Für die zuverlässige Adressierung der Ionen, die in der Fallenmitte einen Abstand von etwa 3 μm haben, sind beugungsbegrenzte Spots der Adressierstrahlen notwendig, die zudem in der Richtung der Fallenachse mit Submikrometergenauigkeit nachführbar sein müssen. Dazu wurde eine optomechanische Einheit entwickelt, bei der in einer Anordnung von Festkörpergelenken Piezosteller Mikroprismen bewegen. Damit wird aus einer starren Anordnung von eingangsseitigen Fasern eine dynamisch regelbare Anordnung von Quellen. Die weitere Optik sorgt einerseits für die notwendige Verkleinerung der eingangsseitigen Quellabstände auf den Ionenabstand und andererseits für die notwendigen Spotgrößen in der Fallenebene. Neben einem Spezialobjektiv, das für die Wellenlängen des Adressierstrahls und der Fluoreszenzdetektion korrigiert ist, kommen Gradientenindexlinsen sowie Achromate zum Einsatz.

Miniaturisierung des Systems

Um die Optik kompakt gestalten und in den Gesamtaufbau integrieren zu können, muss der optische Weg mehrfach gefaltet werden. Um einen – für das als Patentanmeldung eingereichte Funktionsprinzip notwendigen – Parabolspiegel mit optimaler Brennweite verwenden zu können, wird dieser derzeit mittels Ultrapräzisionsbearbeitung am Fraunhofer IOF gefertigt.