Hochfrequenzgesteuerte Quanteninformationsverarbeitung in einer mikrostrukturierten Paul-Falle mit integrierten Solenoidstrukturen
Creators: name: Gloger, Timm F.
Publisher: name: Universitätsbibliothek Siegen
Year: 2025

description: Ein Quantencomputer bietet sowohl das Potential, bestimmte Problemstellungen effizienter zu lösen als jeder klassische Computer, als auch Beiträge zu Fragestellungen aus dem nahezu gesamten Spektrum physikalischer Forschung und darüber hinaus durch Quantensimulationen zu leisten. Eine der bisher am weitesten entwickelten Möglichkeiten zu seiner Realisierung stellen in einer Paul-Falle gespeicherte ultrakalte Ionen dar. Die wesentliche Herausforderung stellt hier, wie auch bei allen anderen physikalischen Implementierungsmethoden, die Entwicklung eines Gesamtsystems dar, das zu einem Quantencomputer skaliert werden kann, der imstande ist, Probleme von praktischer Relevanz zu lösen. Diese Dissertation schließt sich den Bestrebungen Technologien für die Realisierung eines skalierbaren ionenbasierten Quantencomputers zu entwicklen an. Es wird ein optisches Verfahren zur präzisen Bestimmung der Position gespeicherter Ionen auf Basis von Fluoreszenzlicht vorgestellt, das es erlaubt eine Lokalisierung in allen drei Raumrichtungen mit einer Genauigkeit weit unterhalb der Wellenlänge der Ionenfluoreszenz vorzunehmen. Dieses Verfahren ermöglicht die Entwicklung einer neuartigen Methode zur Minimierung unerwünschter Mikrobewegung gespeicherter Ionen. Die Methode basiert auf der Analyse von Ionentrajektorien, die durch gezielte Manipulation des speichernden Potentials einer Ionenfalle erzeugt werden und ist insbesondere zur Verwendung mit ausgedehnten, planaren Fallenchips geeignet, da sie unabhängig von der Propagationsrichtung des verwendeten Laserlichts ist. Desweiteren wird eine Methode entwickelt um ein gespeichertes Ion als hochsensitiven Kraftsensor einzusetzen, der es ermöglicht Kräfte im Bereich von Yoctonewton nachweisen zu können. Diese basiert ebenfalls auf der optischen Positionsbestimmung und erfordert zusätzlich lediglich Kenntnis über das speichernde Potential. Die Methode ist hochkompatibel mit miniaturisierten und stark integrierten Ionenfallen und bietet sich somit für dem Einsatz in der Präzisionsmetrologie an. Der Verwendung von Magnetfeldgradienten ermöglicht die Manipulation einzelner Qubits und die Realisierung von Mehr-Qubit-Gattern allein durch Hochfrequenzsignale. Dies stellt aufgrund deren hohen Integrierbarkeit eine potentielle Schlüsseltechnologie zur Skalierung ionenbasierter Quantencomputer dar. Diese Arbeit erweitert die Funktionalität einer mikrostrukturierten Ionenfalle mit integrierten Spulenstrukturen um einen dynamisch steuerbaren Magnetfeldgradienten. Die erzeugten Gradienten können statisch oder oszillierend sein und auf Zeitskalen im Mikrosekundenbereich variiert werden. Oszillierende Magnetfeldgradienten ermöglichen die Beschleunigung von Mehr-Qubit-Gattern sowie die Erzeugung maßgeschneiderter temporärer Kopplungsmuster zwischen Qubits. Der neu geschaffene Freiheitsgrad einer dynamischen Kontrolle des Gradienten wird verwendet um eine optimierte Qubit-Adressierung im Frequenzraum zu demonstrieren.
description: A quantum computer offers both the potential to solve certain problems more efficiently than any classical computer and to contribute to questions across practically the entire spectrum of physical research, as well as beyond, through quantum simulations. One of the most advanced approaches to realizing a quantum computer to date is based on ultracold ions trapped in a Paul trap. The main challenge here, as with all other physical implementation methods, lies in the development of a complete system that can be scaled into a quantum computer capable of solving problems of practical relevance. This dissertation contributes to the efforts to develop technologies for the realization of a scalable ion-based quantum computer. An optical method for the precise determination of the position of trapped ions based on fluorescence light is presented, which allows localization in all three spatial dimensions with an accuracy well below the wavelength of the ion fluorescence. This method enables the development of a novel approach to minimizing undesired micromotion of trapped ions. The approach is based on the analysis of ion trajectories generated by deliberate manipulation of the trapping potential of an ion trap and is particularly suitable for use with extended, planar trap chips, as it is independent of the propagation direction of the laser light used. Furthermore, a method is developed to use a trapped ion as a highly sensitive force sensor, capable of detecting forces in the yoctonewton range. This method is also based on optical position determination and requires only knowledge of the trapping potential in addition. It is highly compatible with miniaturized and highly integrated ion traps, making it suitable for applications in precision metrology. The use of magnetic field gradients enables the manipulation of individual qubits and the realization of multi-qubit gates solely through radiofrequency signals. Due to their high integrability, this represents a potential key technology for scaling ion-based quantum computers. Thiswork extends the functionality of a microstructured ion trap with integrated solenoid structures to include a dynamically controllable magnetic field gradient. The generated gradients can be static or oscillating and can be varied on timescales in the microsecond range. Oscillating magnetic field gradients enable the acceleration of multiqubit gates as well as the creation of customized, temporary coupling patterns between qubits. The newly created degree of freedom provided by dynamic gradient control is used to demonstrate optimized qubit addressing in the frequency domain.