Den Quantencomputern wieder einen Schritt näher
Quantencomputer, bei denen quantenmechanische Phänomene zur Verarbeitung von Daten ausgenutzt werden, versprechen einen riesigen Sprung in der Rechenleistung und -geschwindigkeit, aber das Gebiet steckt immer noch in den Kinderschuhen. Einer der wohl aussichtsreichsten Kandidaten für die reale Entwicklung eines Quantencomputers ist der Einsatz gefangener Ionen, d. h. geladener Atomteilchen, die mit Hilfe von elektromagnetischen Feldern im freien Raum eingesperrt und verschoben werden können. Qubits - bzw. Einheiten an Quanteninformation - werden in stabilen elektronischen Zustände auf jedem Ion abgespeichert. So kann die Quanteninformation durch die gemeinsame gequantelte Bewegung der Ionen in der Falle verarbeitet und übertragen werden. Das von der EU finanzierte QOSC2007-Projekt hatte die Entwicklung neuer Ansätze zum Koppeln gefangener Ionen und zum Übertragen von Quanteninformation zwischen diesen zum Ziel. Das Projekt arbeitete an einem Festkörperstruktur-Quantenbus für gefangene Ionen, der die Bewegungszustände entfernter gefangener Ionen koppeln könnte. Dieser Weg hat große technologische und fundamentale Bedeutung, und trägt das Potenzial in sich, den Anwendungsbereich von Ionenfallen in der Quantenwelt zu erweitern. Die derzeitige Ionenfallenminiaturisierungstechnologie unterliegt zwei wesentlichen Einschränkungen: übermäßiges Rauschen durch elektrische Felder, das von den Fallenelektroden herstammt, und die elektrostatische Aufladung der Fallen. Eine Möglichkeit, das elektronische Rauschen zu reduzieren, besteht darin, die Falle bei kryogenen Temperaturen zu betreiben. QOSC2007 setzte ein einzelnes gefangenes Ion ein - und zwar sowohl als einen äußerst empfindlichen Rauschsensor als auch als beweglichen Sensor für das elektrostatische Feld - um diesen beiden Herausforderungen zu begegnen. Das Team stellte eine mögliche Verbindung zwischen den Rauschen durch elektrische Felder und der Oberflächenverschmutzung von Fallenelektroden fest, woraus sich die Möglichkeit ergibt, Oberflächenreinigungs- und Charakterisierungswerkzeuge einzusetzen und die Standardwerkzeugkiste des Atomphysikers mit der des Oberflächenwissenschaftlers zu kombinieren, um das Problem zu lösen. Die an QOSC2007 beteiligten Forscher entwickelten außerdem einen reinraumtauglichen Ionenfallen-Fertigungsprozess, in dem die Größe der Ionenfallen verringert wird, wodurch deren Geschwindigkeit zunimmt.
