Ionenfallen

22. November 2022

Qubits aus Ionenfallen zeichnen sich durch besonders lange Kohärenzzeiten, hohe Gattergüten und hohe Verschränkbarkeit aus. Mit ihnen sind also aufwändigere Berechnungen möglich als mit kurzlebigeren und fehleranfälligeren Qubits. Zudem sind sowohl ihre Steuersysteme als auch die Integration in Mikroelektronik und Mikrofabrikation ausgereift. Damit eignen sie sich gut für eine industrielle Fertigung. All das macht Ionenfallen zu einer hervorragenden Basis für leistungsstarke Quantencomputer. Allerdings gibt es auch Hürden: So müssen sie stark gekühlt und in einem Vakuum betrieben werden und bedürfen eine komplexe Steuerung durch viele Laser. Das stellt derzeit noch ein Skalierbarkeits-Hindernis dar. Und auch ihre kennzeichnende Stabilität hat eine Kehrseite: Ionenfallen-Qubits schalten vergleichsweise langsam, was den Vorteil der langen Kohärenzzeiten teilweise aufhebt.

Ionenfallen-Quantenprozessor | Bild: Universal Quantum

Bedeutung für Deutschland

Rund um die Produktion, Klassifizierung und den Einsatz von Ionenfallen ist in Deutschland ein lebendiges, kompetitives Umfeld entstanden. Durch viele Forschungs- und Qualifizierungsprojekte sowie Fortschritte bei den Anwendungen ist die Ionenfallen-Technologie weit fortgeschritten. Das gilt vor allem fürs Quantencomputing (Ionenfallen eignen sich auch für andere Anwendungen wie zum Beispiel äußerst präzise Atomuhren). Zusammen mit NV-Zentren sind sie die bei deutschen Startups und Firmen am weitesten verbreitete Hardware-Basis. Damit gehören Ionenfallen zu den vielversprechendsten Systemen in Deutschland.

Ionenfallen in der DLR QCI

Wir haben gleich fünf Ionenfallen-Projekte bei deutschen und europäischen Industrieunternehmen in Auftrag gegeben. Der Grund dafür ist, dass nicht nur die Ionenfallen technologisch weit fortgeschritten sind, sondern dass auch das industrielle Ökosystem passt. Im ersten Los beschaffen wir ein Demonstrator-System mit 10 Qubits, das schon ein Jahr nach Projektstart für DLR-Mitarbeitende zur Verfügung stehen soll. Das zweite Los vergeben wir gleich zweimal: Das Ziel ist der Bau und Betrieb eines Quantencomputers mit mindestens 50 voll funktionsfähigen Qubits auf einem Chip, der skalierbar und perspektivisch fehlerkorrigierbar ist. Auch das dritte Los vergeben wir zweimal: Als Alternative zum Chipdesign aus Los 2 steht hier ein modulares Design im Vordergrund, bei dem mehrere Chips für eine skalierbare Architektur vernetzt werden. In Los 2 und 3 sollen nach vier Jahren nutzbare Gesamtsysteme zur Verfügung stehen.

Quantenprozessor mit Ionenfallen-Technologie | Bild: Qudora

Alle Ionenfallen-Projekte in der DLR QCI

Technische Umsetzung

Ionenfallen fangen einzelne Ionen in einem elektrischen Feld ein und kühlen sie mithilfe von Lasern auf wenige Millikelvin herab. Die Qubits werden durch verschiedene Energiezustände innerhalb der Hyperfeinstruktur des Ions realisiert. Dadurch sind äußerst lange Kohärenzzeiten möglich. Gatteroperationen werden entweder durch gezielte Laserpulse oder durch globale Mikrowellen- und Magnetfelder umgesetzt. Der Zustand der Qubits wird schließlich durch optische Übergänge gemessen. In den letzten Jahren gab es beachtliche Fortschritte bezüglich der Miniaturisierung von Ionenfallen: Das ermöglicht eine industrielle Fertigung und innovative Chipdesigns, die zur Skalierbarkeit beitragen. Dieses Wissen wollen wir mithilfe unserer Aufträge weiter vorantreiben und nutzen.

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