Quantum Computing - Ionenfalle
- Martin Döhring
- 22. Aug. 2020
- 4 Min. Lesezeit
Die Abbildung zeigt eine mikrofabrizierte lineare Paul-Ionenfalle (Surface Electrode Ion Trap), wie sie in vielen modernen Quantencomputern mit gefangenen Ionen verwendet wird. Sie vereint Hochfrequenztechnik, Mikrochipfertigung, Ultrahochvakuum und Laserspektroskopie. Ich erläutere sie von außen nach innen.
1. Das Grundprinzip
Statt Qubits in einem Halbleiterchip einzusperren, werden hier einzelne elektrisch geladene Atome (Ionen) in einem elektromagnetischen Potential gefangen.
In Ihrer Zeichnung handelt es sich um
Ca⁴⁰⁺-Ionen (einfach ionisierte Calciumatome).
Ein Calciumatom besitzt normalerweise 20 Elektronen.
Hier wurde
ein Elektron entfernt
dadurch entsteht
Ca⁺.
Dieses Ion besitzt eine positive Ladung und lässt sich daher mit elektrischen Feldern festhalten.
2. Die eigentliche Ionenfalle
Die lange Struktur in der Mitte ist der Chip.
Die roten Punkte stellen die Ionen dar.
Sie schweben
etwa 150 µm über der Chipoberfläche.
Das ist ungefähr
ein bis zwei Haarbreiten.
Die Ionen berühren niemals den Chip.
Sie schweben vollständig frei.
3. Warum fallen die Ionen nicht herunter?
Hier kommt die Paul-Falle ins Spiel.
Man benutzt
Hochfrequenzspannung (RF)
statische Gleichspannungen (DC)
gemeinsam.
Die blauen Leiter
RF rails
führen
25 MHz Wechselspannung.
Die Spannung wechselt also
25 Millionen Mal pro Sekunde.
Dadurch entsteht
kein statisches,
sondern ein zeitlich gemitteltes Potential.
Dieses nennt man
Pseudopotential.
Es wirkt wie eine unsichtbare Mulde.
Die Ionen rollen immer wieder zur Mitte zurück.
4. RF-Schienen
Die beiden langen blauen Leiter bilden die eigentliche Falle.
Zwischen ihnen entsteht
eine Potentialmulde.
Die Kraft wirkt
in Y-Richtung
und
Z-Richtung.
Damit kann das Ion seitlich nicht entkommen.
5. Segmentierte Elektroden
Die goldenen Elektroden besitzen jeweils eine eigene Spannung.
Sie heißen
Segmented DC Electrodes.
Ihre Aufgabe:
Sie formen das Potential
entlang der X-Achse.
Dadurch kann man
Ionen verschieben
trennen
zusammenführen
neu anordnen
ohne sie zu berühren.
Im Grunde entstehen viele kleine elektrische Hügel und Täler.
6. Endkappen
Links und rechts befinden sich
Static DC Endcap Electrodes.
Sie schließen die Falle.
Ohne diese könnten die Ionen vorne oder hinten herauslaufen.
7. Warum stehen die Ionen in einer Reihe?
Die Ionen stoßen sich gegenseitig ab.
Gleichzeitig drückt das elektrische Potential sie zusammen.
Es entsteht ein Gleichgewicht.
Die Folge:
Eine wunderschöne lineare Ionenkette.
Man nennt sie
Ion Crystal.
Diese Kristalle bestehen oft aus
10
100
1000
Ionen.
8. Warum Ultrahochvakuum?
Auf der Zeichnung steht
10⁻¹¹ Torr.
Das ist nahezu perfektes Vakuum.
Warum?
Bereits ein Luftmolekül könnte
gegen ein Ion stoßen.
Dann wäre
die gesamte Quanteninformation verloren.
Deshalb arbeitet man im nahezu vollständigen Vakuum.
9. Warum zusätzlich 4 Kelvin?
Unten rechts steht
Cryogenic Interface
unter 4 Kelvin.
Das entspricht
−269 °C.
Dadurch
sinkt das thermische Rauschen
weniger elektrische Feldschwankungen
längere Kohärenzzeit
Die Ionen bleiben dadurch wesentlich stabiler.
10. Lasereingänge
Mehrere Laser treffen auf die Ionen.
Jeder besitzt eine spezielle Aufgabe.
a) Ionisierung
Zunächst wird aus einem neutralen Calciumatom
Ca⁺ erzeugt.
b) Laserkühlung
397 nm
kühlt das Ion.
Das klingt zunächst paradox.
Ein Laser kann aber Bewegungsenergie entziehen.
Das Ion verliert
Schwingungsenergie
und wird extrem kalt.
Nahe dem quantenmechanischen Grundzustand.
c) Repump-Laser
729 nm
und weitere Wellenlängen verhindern,
dass das Ion in langlebigen Zuständen "stecken bleibt".
d) Qubit-Manipulation
Mit hochpräzisen Laserpulsen werden
Quantengatter
realisiert.
11. Energieniveaus
Oben rechts sieht man
das Energieniveauschema.
Für Calcium verwendet man
S₁/₂
P₁/₂
D₅/₂.
Diese Zustände bilden das eigentliche Qubit.
Zum Beispiel
|0⟩
=
S₁/₂
und
|1⟩
=
D₅/₂.
Der Laser erzeugt Übergänge
zwischen beiden.
12. Wie entstehen Qubits?
Das Ion befindet sich nicht nur
in Zustand 0
oder
Sondern
[|\psi\rangle=\alpha|0\rangle+\beta|1\rangle]
also in einer Superposition.
Jedes einzelne Ion ist somit
ein Qubit.
13. Wie koppeln sich die Qubits?
Jetzt kommt das eigentlich Geniale.
Alle Ionen schweben gemeinsam
in derselben Potentialmulde.
Dadurch schwingen sie
wie eine gespannte Gitarrensaite.
Diese gemeinsame Schwingung nennt man
Phononenmodus.
Der Laser koppelt
den inneren Zustand
eines Ions
an diese gemeinsame Schwingung.
So kann
Ion A
Information
auf
Ion B
übertragen.
Dadurch entstehen
Zwei-Qubit-Gatter
wie das Mølmer-Sørensen-Gatter, eine zentrale Operation in Ionenfallen-Quantencomputern.
14. Detektion
Oben befindet sich
Detection.
Zum Schluss wird das Ion
mit einem Laser beleuchtet.
Jetzt passiert etwas sehr Elegantes.
Ist das Ion
im Zustand
|0⟩,
leuchtet es hell.
Ist es
im Zustand
|1⟩,
bleibt es dunkel.
Eine empfindliche Kamera registriert
hell
oder
dunkel.
So erfolgt die Messung des Qubits.
15. Warum so viele Elektroden?
Rechts sieht man
20 DC Channels.
Jede Elektrode besitzt
eine eigene Spannung.
Dadurch kann man
Potentiale verformen
Ionen transportieren
Ketten teilen
Ketten wieder vereinen
Fehler korrigieren
verschiedene Rechenzonen bilden
Der Chip ist somit programmierbar.
16. Warum gilt diese Architektur als besonders leistungsfähig?
Ionenfallen gehören zu den physikalisch ausgereiftesten Plattformen für Quantencomputer, weil sie mehrere Vorteile kombinieren:
Identische Qubits: Jedes Calcium-Ion ist von Natur aus gleich, anders als viele künstlich gefertigte Halbleiter-Qubits.
Sehr lange Kohärenzzeiten: Unter Ultrahochvakuum und bei tiefen Temperaturen können Quantenzustände über lange Zeit erhalten bleiben.
Hohe Gattertreue: Laser lassen sich äußerst präzise steuern, wodurch Fehlerquoten sehr gering sein können.
Beliebige Kopplungen innerhalb einer Ionenkette: Über die gemeinsamen Schwingungsmoden können auch weiter voneinander entfernte Ionen miteinander wechselwirken.
Der Hauptnachteil ist die Skalierbarkeit: Je länger eine Ionenkette wird, desto komplexer werden ihre kollektiven Schwingungsmoden und desto schwieriger wird die präzise Kontrolle. Deshalb arbeiten aktuelle Entwicklungen häufig mit modularen Architekturen, bei denen mehrere kleinere Ionenfallen über photonische Verbindungen oder den Transport von Ionen gekoppelt werden.
Die dargestellte Konstruktion ist somit weit mehr als ein gewöhnlicher Mikrochip: Sie ist ein hochpräzises elektromagnetisches Instrument, das einzelne Atome im Vakuum schwebend hält, sie mit Lasern bis nahe an ihren quantenmechanischen Grundzustand kühlt und ihre inneren Quantenzustände gezielt manipuliert, um Quantenlogik auf atomarer Ebene auszuführen.
Ein Halbleiter-IC, der Qubits als Nano-Ströme auf engstem Raum erzeugt, basiert auf der Nutzung von **Silizium-Quantenbits** (Qubits). Hier ist eine Beschreibung, wie ein solcher IC funktionieren könnte:
### Aufbau und Funktionsweise
1. **Silizium-Quantenpunkte**: Die Qubits werden in winzigen Silizium-Quantenpunkten gespeichert. Diese Quantenpunkte sind so klein, dass sie die Quantenzustände von Elektronen kontrollieren können. Der **Elektronenspin** in diesen Quantenpunkten dient als Qubit¹.
2. **Superposition und Verschränkung**: Die Qubits können sich in einem Zustand der Superposition befinden, was bedeutet, dass sie gleichzeitig die Zustände 0 und 1 annehmen können. Durch spezielle Schaltungen können diese Qubits auch miteinander verschränkt werden, was für die Quantenberechnung entscheidend ist¹.
3. **Kontrolle durch elektrische Felder**: Die Quantenzustände der Elektronen werden durch präzise angelegte elektrische Felder kontrolliert. Diese…
Mittlerweile hat das Thema eine Eigendynamik entwickelt…
Die Berechnung der Interferenz von Qubits ist ein komplexes Thema, das tiefgehende Kenntnisse in Quantenmechanik und Quantencomputing erfordert. Hier ist ein einfaches Python-Skript, das die Interferenz von zwei Qubits unter Verwendung der Qiskit-Bibliothek simuliert. Dieses Skript setzt voraus, dass Sie Qiskit installiert haben, eine Open-Source-Quantencomputing-Softwareentwicklungsbibliothek:
```python
from qiskit import QuantumCircuit, execute, Aer
# Erstellen eines Quantenschaltkreises mit 2 Qubits
qc = QuantumCircuit(2)
# Anwenden der Hadamard-Gatter auf beide Qubits, um Superposition zu erzeugen
qc.h(0)
qc.h(1)
# Anwenden eines CNOT-Gatters, um die Qubits zu verschränken
qc.cx(0, 1)
# Durchführen einer Messung
qc.measure_all()
# Ausführen des Schaltkreises auf dem Qasm-Simulator
simulator = Aer.get_backend('qasm_simulator')
result = execute(qc, simulator, shots=1000).result()
# Ausgabe der Ergebnisse
counts = result.get_counts(qc)
print(counts)
```
Dieses Skript führt einen einfachen…
Quantum Computing bietet neue Ansätze, um einige der größten Rätsel der Physik zu erforschen, einschließlich der Natur der Dunklen Energie. Hier sind einige aktuelle Forschungsergebnisse:
- Quantum-enhanced screened dark energy detection: Eine Studie schlägt ein Experiment vor, das auf einem Bose-Einstein-Kondensat-Interferometer basiert, um die Modelle der fünften Kraft stark einzuschränken. Zusätzliche Skalarfelder aus modifizierten Gravitationstheorien oder höherdimensionalen Theorien könnten für die Dunkle Energie und die beschleunigte Expansion des Universums verantwortlich sein. Diese Theorien haben zu vorgeschlagenen Abschirmmechanismen geführt, die innerhalb der engen experimentellen Grenzen für die Suche nach einer fünften Kraft liegen. Das vorgeschlagene Experiment könnte die bestehenden Einschränkungen für diese Abschirmmodelle um viele Größenordnungen verbessern¹.
- Quantum Computing für inflationäre, Dunkle Energie und Dunkle Materie Kosmologie: Quantum Computing könnte…