Experimente mit einer linearen Ionenkette zur Realisierung eines Quantencomputers

Die in dieser Arbeit dargelegten Ergebnisse befassen sich mit
Experimenten, welche den Mg-In-Ionenfallen-Quantencomputer zum
Endziel haben. Als logisches Schaltelement eines solchen
Quantencomputers kommen sowohl die Cirac-Zoller- als auch die
Sörensen-Mölmer-Version eines CNOT-Gatters in Frage. In beiden
Fällen müssen die Ionen durch Laserstrahlung gekühlt werden.
Während das Cirac-Zoller-Gatter Grundzustandskühlung erfordert,
wird beim Sörensen-Mölmer-Gatter lediglich der wesentlich einfacher
zu erreichende Lamb-Dicke-Bereich benötigt. Aufgrund der Tatsache,
daß zwei verschiedene Ionensorten für unterschiedliche Aufgaben
verwendet werden, kombiniert man deren Vorzüge optimal miteinander.
Zur direkten Seitenband-Kühlung verwendet man In, mit dem in
unserer Arbeitsgruppe bereits Grundzustandskühlung demonstriert
worden ist. Quanteninformation soll in den Mg-Ionen gespeichert
werden. Da beim Sörensen-Mölmer-Gatter, solange man sich im
Lamb-Dicke-Bereich befindet, die Quantenrechnung nicht von der
thermischen Bewegung der Ionen abhängen, kann der heterogene
Ionenkristall durch die Indiumionen kontinuierlich gekühlt werden,
ohne daß die in den Mg-Ionen gespeicherte Quanteninformation
dadurch beeinflußt wird. Dadurch kann die Dekohärenz der
Schwingungsmoden minimiert, und die Anzahl möglicher
Quantenoperationen maximiert werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde
von Grunde auf ein neues Experiment geplant, aufgebaut und
zahlreiche Versuche dazu durchgeführt. Es wurde ein völlig neuer,
komplexer Vakuumrezipient entworfen und gebaut. Im Inneren des
Vakuumrezipienten wurde ein schwingungsgedämpfter Aufbau einer
neuartigen, selbstjustierenden Ionenfallenhalterung inklusive
verbesserter Atomofenhalterung in ein kompaktes Gesamtsystem
integriert. Die Falle wurde für die Speicherung zweier Ionensorten
optimiert. Mit der linearen Endkappenfalle wurden zuerst
Mg-Ionenkristalle erzeugt. Bei den Experimenten mit Indium konnten
Mg-In-Wolken nachgewiesen werden, sowie sympathetische Kühlung von
Indium durch die direkt lasergekühlten Magnesiumionen. In der neuen
Vierstabfalle wurden zuerst Experimente mit einem
Sekundärelektronen-Vervielfacher bei Kühlung mit Puffergas
durchgeführt, wobei Speicherung von Magnesiumionen sowie von
Dunkelionen aus dem Restgas nachgewiesen werden konnte. Bei diesen
Messungen wurde gleichzeitig die Falle charakterisiert. Es wurden
Stabilitätsdiagramm, radiale und axiale Schwingungsfrequenzen
gemessen. Darüber hinaus wurden in der neuen Ionenfalle
Magnesium-Ionenkristalle gespeichert und nachgewiesen. Die im
Vergleich zur linearen Endkappenfalle wesentlich verbesserte
Mikrobewegungskompensation demonstriert die Überlegenheit der
automatischen Justage der neuen Ionenfalle.