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FP6

MICROTRAP — Ergebnis in Kürze

Project ID: 517675-2
Gefördert unter: FP6-IST

Ionen auf Chip eingefangen

Im vergangenen Jahrhundert träumten die Wissenschaftler noch davon, in die atomare Welt einzutauchen und technische Abläufe auf allerkleinstem Raum zu realisieren. Jetzt konnte ein europäisches Projekt beweisen, dass das Abbremsen und Einfangen von sich schnell bewegenden Atomen tatsächlich eine vielversprechende Basis für einen Quantencomputer sein könnte.
Ionen auf Chip eingefangen
Das Microtrap-Projekt hat einen wichtigen Schritt in Richtung auf dieses Ziel unternommen, indem hochmoderne Verfahren zum Einfangen von Ionen - Atomen/Molekülen, die Elektronen verlieren oder hinzugewinnen - auf einem Chip entwickelt worden sind. Ein Laserstrahl kann, wenn die Ionen nahezu bewegungslos und ordentlich entlang der Achse der Falle aufgereiht sind, mit einem bestimmten Ion interagieren, dann mit einem anderen, und schließlich die komplexen Wechselwirkungen zwischen diesen beiden Ionen steuern.

Dies macht eingefangene Ionen zu vielversprechenden Informationsträgern für Quantencomputer. Herkömmliche Computer speichern und verarbeiten Informationen als Bits, die den Wert "0" oder "1" annehmen. Ein Quantencomputer würde allerdings die Fähigkeit subatomarer Teilchen ausnutzen, zu einem bestimmten Zeitpunkt mehr als einen Zustand anzunehmen.

Wissenschaftler versuchen, das Phänomen am Beispiel von Schrödingers Katze zu erklären; hierbei handelt es sich um ein Gedankenexperiment des Physikers Erwin Schrödinger, bei dem eine Katze in einer Kiste sowohl lebendig als auch tot ist, bis jemand die Kiste öffnet und nachschaut. In einem Quantencomputer hätte jedes Qubit gleichzeitig den Wert "0" und "1". Mit zwei Qubits hätte man schon ein System, in dem jeder Wert gleichzeitig alle Werte von "0" bis "3" sein kann.

Die wesentlichen Bausteine für einen Quantencomputer sind bereits im letzten Jahrzehnt realisiert worden: lineare Ketten aus einigen Ionen. Um an das volle Potenzial der Ionenfallen-Quanteninformationsverarbeitung heranzukommen, versuchte man innerhalb des Microtrap-Projekts noch einen Schritt weiterzugehen und möglichst viele Ionen zu beteiligen, die in verschiedenen Kombinationen miteinander interagieren.

Ein Weg zur Realisierung dieses Vorhabens war die Miniaturisierung der Ionenfallenarchitekturen. Eine andere Herangehensweise war das Teilen der Fallen in Segmente, so dass die Ionen in beliebigen Anordnungen sortiert werden können. Aber die Microtrap-Forscher gingen noch weiter. Sie fertigten darüber hinaus Mikrofallen und setzen dazu existierende Herstellungsverfahren der Chipfertigungsindustrie ein.

Zu diesem Zweck wurden einige konkurrierende Technologien in Betracht gezogen: dreidimensionale (3D) mehrschichtige Fallen auf Keramikwafern, zweidimensionale (2D) ebene Flächenfallen und 3D-Siliziumdioxid-auf-Siliziumdioxid-Fallen. Auf dieser Grundlage blieb der Erfolg nicht aus: Die Forscher konnten für die Quanteninformationsverarbeitung geeignete Mikrofallen herstellen.

Mithilfe dieser auf standardmäßigen Chipträgern angebrachten Mikrofallen konnten Ionen unter Vakuumbedingungen eingesperrt und deren Zustände unter Nutzung eines Lasers manipuliert werden. Vorteilhaft ist hier, dass weniger Rauschen (Interferenz) erzeugt wird, da die Elektroden die Teilchen viel weiter auseinanderhalten als sonst üblich.

Ein Quantencomputer wäre geradezu funktionsunfähig, wenn irgendwelche Interferenzen - auch thermisches Rauschen - von der Außenwelt eindringen. Die Errungenschaften des Microtrap-Projekts haben die Grenzen der Wissenschaft verschoben: Hier ergeben sich verlockende Einblicke in die allerkleinsten Bausteine unserer Welt.

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