Scalable microchip ion traps for quantum computation [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Stephan A. Schulz

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Scalable Microchip Ion Trapsfor Quantum ComputationStephan A. Schulz2009Scalable Microchip Ion Trapsfor Quantum ComputationDissertationzur Erlangung desDoktorgrades Dr. rer. nat.der Fakult¨at fur¨ Naturwissenschaftender Universit¨at Ulmvorgelegt vonStephan A. Schulzaus Bremen2009Amtierender Dekan Prof. Dr. Peter B¨auerleErstgutachter Prof. Dr. Ferdinand Schmidt-KalerZweitgutachter Prof. Dr. Tommaso Calarcoexterner Gutachter Prof. Dr. Ernst Rasel Tag der Promotion 11.05.2009The work described in this thesis was carried out at theUniversit¨at UlmInstitut fur¨ QuanteninformationsverarbeitungAlbert-Einstein-Allee 11D-89069 UlmThe experiment was funded by grants from the European networksMICROTRAP and SCALA, the DFG in the framework of theSFB/TRR21 and the Landesstiftung Baden-Wurttem¨ berg.When you can measurewhat you are speaking aboutand express it in numbers,you know something about it;but when you cannot expressit in numbers, your knowledgeis of a meagre andunsatisfactory kind;it may be the beginning of knowledge,but you have scarcely in your thoughtsadvanced to the state of science,whatever the matter may be.William Thompson, Lord KelvinZusammenfassungDie Entwicklung der experimentellen Quanteninformationsverarbeitungim Laufe der letzten Jahre zeigt, daß atomare Ionen gefangen in linearenPaulfallen ein bedeutendes Modellsystem zur Untersuchung von Quantenal-gorithmensind.
Publié le : jeudi 1 janvier 2009
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Scalable Microchip Ion Traps
for Quantum Computation
Stephan A. Schulz
2009Scalable Microchip Ion Traps
for Quantum Computation
Dissertation
zur Erlangung des
Doktorgrades Dr. rer. nat.
der Fakult¨at fur¨ Naturwissenschaften
der Universit¨at Ulm
vorgelegt von
Stephan A. Schulz
aus Bremen
2009Amtierender Dekan Prof. Dr. Peter B¨auerle
Erstgutachter Prof. Dr. Ferdinand Schmidt-Kaler
Zweitgutachter Prof. Dr. Tommaso Calarco
externer Gutachter Prof. Dr. Ernst Rasel
Tag der Promotion 11.05.2009
The work described in this thesis was carried out at the
Universit¨at Ulm
Institut fur¨ Quanteninformationsverarbeitung
Albert-Einstein-Allee 11
D-89069 Ulm
The experiment was funded by grants from the European networks
MICROTRAP and SCALA, the DFG in the framework of the
SFB/TRR21 and the Landesstiftung Baden-Wurttem¨ berg.When you can measure
what you are speaking about
and express it in numbers,
you know something about it;
but when you cannot express
it in numbers, your knowledge
is of a meagre and
unsatisfactory kind;
it may be the beginning of knowledge,
but you have scarcely in your thoughts
advanced to the state of science,
whatever the matter may be.
William Thompson, Lord KelvinZusammenfassung
Die Entwicklung der experimentellen Quanteninformationsverarbeitung
im Laufe der letzten Jahre zeigt, daß atomare Ionen gefangen in linearen
Paulfallen ein bedeutendes Modellsystem zur Untersuchung von Quantenal-
gorithmensind. ImVergleichzureinelektronischenFestk¨orpersystemenwie
SQUIDs und Josephson-Kontakten bzw. der Kernspinresonanz bei Moleku-¨
len sind die gefangenen Ionen als Qubits weitgehend isoliert von st¨orenden
Einflussen aus der Umgebung. Die Verschr¨ankung eines linearen Kristalls
aus acht Ionen und die Verwirklichung verschiedener Quantengatter zeigen
die auf der geringen Dekoh¨arenz beruhende experimentelle Qualit¨at des
Modellsystems als Referenz. Die Weiterentwicklung der Quantenalgorith-
men erfordert jedoch eine gr¨oßere Zahl an beteiligten Qubits und damit
h¨ohere Anspruche an die Skalierbarkeit linearer Ionenfallen. Die Herstel-
lung makroskopischer linearer Ionenfallen wird durch Verfahren aus der
Mikrosystemtechnik ersetzt. Dieser interdisziplin¨are Ansatz bestehend aus
Mikrotechnologie und Quantenoptik erlaubt die Realisierung von skalier-
baren Mikroionenfallen fur¨ die Quanteninformationsverarbeitung.
Die vorliegende Arbeit umfaßt die Themengebiete der Entwicklung und
HerstellungvonskalierbarenminiaturisiertenIonenfallen,dieexperimentelle
Integration und Charakterisierung und die experimentelle Demonstration
der Qubit-Quantendynamik innerhalb der Mikrofallen. Es werden zwei
grundlegendverschiedeneFallendesignsvorgestellt, numerischsimuliertund
gefertigt - (a) die lineare Mikrofalle mit 56 Kontrollsegmenten zum Ver-
schieben einzelner Ionen wurde mittels Lasermikrobearbeitung gefertigt.
Ausgehend von Vorexperimenten mit Mikropartikeln wurden die planaren
Ober߬achenfallenoptimiertund(b)miteinerlinearenTestfallemit20Kon-
trollsegmentendasFunktionsprinzipfur¨ atomareIonenbest¨atigt. Einneues
Design mit einer Y-f¨ormigen Kreuzung erm¨oglicht Verschiebeoperationen
mit insgesamt 55 Kontrollsegmenten - das Design, die lithographische Her-
stellung und erste Funktionstests sind hierfur¨ abgeschlossen.
Die lineare Mikrofalle wird mittels Seitenbandspektroskopie charakte-
risiert-durchSeitenbandkuhlung¨ wurdeeineinzelnesIonindenBewegungs-
grundzustand gekuhlt¨ und die Heizrate der Falle gemessen. Verbesserungen
der Dekoh¨arenz durch Optimierungen werden durch Ramsey-Spektroskopie
40 +belegt. Es werden zwei verschiedene Qubit-Systeme fur¨ das Ca Ion
realisiert - einerseits wird ein optisches Quantenbit ub¨ er einen metasta-
bilenZustandunddenGrundzustand,andererseitseinSpin-Quantenbitub¨ er
¨die Zeeman-Aufspaltung des Grundzustands mit einem Raman-Ubergang
pr¨apariert. Erstmals werden Messungen zum Ionentransport mittels Seiten-
bandspektroskopie realisiert und die Mikrofalle in einem weiten r¨aumlichen
Bereich delokal charakterisiert.DielineareMikrofalleistdasReferenzprojektfur¨ dieForschungzueinem
europ¨aischen Beitrag zum Quantencomputer. Es ist die erste Entwicklung
einer skalierbaren Mikroionenfalle in Europa - die Ergebnisse dieser Ar-
beit zeigen nicht nur das Design und die Herstellung, sonder darub¨ erhinaus
durch die experimentelle Charakterisierung, z.B. durch die Bestimmung der
Heizrate, die Eignung der Mikroionenfalle fur¨ Experimente der Quantenin-
formationsverarbeitung. Diese nach 1.5 Jahren koninuierlichem Betrieb im-
mer noch in Europa einzigartige skalierbare Mikroionenfalle wurde als Refe-
renzprojekt anderen europ¨aischen Forschergruppen als modularer Bausatz
zur Verfugung¨ gestellt. Das Design bildet die Grundlage fur¨ die weitere
Entwicklung der skalierbaren dreidimensionalen Mikroionenfallen.
AlsandererAnsatzwerdendieplanarenOber߬achenfallenaufderGrund-
lage der planaren Falle mit Mikropartikeln als Referenzdesign entwickelt.
DieY-f¨ormigeGeometriezeigtdieSkalierbarkeitdesFallendesignsfur¨ Qubit-
Systeme einer gr¨oßeren Anzahl von Ionen, es werden erstmals neben Ver-
schiebe- auch Sortieroperationen bei planaren Fallen m¨oglich sein. Anhand
einer linearen Falle fur¨ atomare Ionen werden Parameter ermittelt und die
Falle elementar charakterisiert. Das Design der Y-Falle beruht auf mathe-
matischerOptimierungdernumerischermitteltenFelder,dieFertigungzeigt
die Realisierbarkeit des Ansatzes. Nach ersten elementaren Funktionstests
wird die Falle derzeit im UHV-Rezipienten getestet.
Die weitere technologische Entwicklung der skalierbaren Mikrofallen hat
direkte Auswirkungen auf die Realisierung von skalierbaren Quantenalgo-
rithmenmiteinergroßenAnzahlvonQuantenbits. Verschiebeoperationenin
Speicher- und Prozessorbereiche w¨ahrend der Ausfuhrung¨ von Algorithmen
werden erstmals die Paulfalle als dynamisches Element integrieren und er-
forderneineninterdisziplin¨arenAnsatzzurOptimierungderDekoh¨arenzpro-
zesse. DesweiterenistdieHybridisierunginderMikrofallenentwicklungeine
vielversprechende Komponente - die Integration optischer Fasern in den
Fallenchip wird zur faserintegrierten Mikrochipfalle als optoelektronisches
Bauelement fuhren¨ und der Quanteninformationsverarbeitung fundamental
neue M¨oglichkeiten er¨offnen.Journal Publications
The work described in this thesis is published partially in a number of
journal articles:
• S. Schulz, U. Poschinger, F. Ziesel, and F. Schmidt-Kaler
Sideband cooling and coherent dynamics in a microchip
multi-segmented ion trap, New J. Phys. 10, 045007 (2008).
• S. Schulz und F. Schmidt-Kaler
Quanteninformationsverarbeitung: Segmentierte Mikrochip-Falle fur¨
kalte Ionen, Physik in unserer Zeit 38, 162 (2007).
• S. Schulz, U. Poschinger, K. Singer, and F. Schmidt-Kaler
Optimization of segmented linear Paul traps and transport of stored
particles, Fortschr. Phys. 54, 648 (2006).
Additionally some technical development is published:
• S. Schulz and F. Schmidt-Kaler
Unmagnetischer temperaturbest¨andiger Multi-Pin-Halter fur¨
Mikrochipfallen im Vakuum, Patent pending
DE 102006023158 A1 (2006).
Further articles has been published during the work on this thesis in the
framework of ion trapping and quantum optics:
• B. Zhao, S. Schulz, S. Meek, G. Meijer, and W. Sch¨ollkopf
Quantum reflection of helium atom beams from a microstructured
grating, Phys. Rev. A 78, 010902(R) (2008).
• J. Meijer, T. Vogel, B. Burchard, I.W. Rangelow, L. Bischoff, J.
Wrachtrup, M. Domhan, F. Jelezko, W. Schnitzler, S. Schulz, K.
Singer, and F. Schmidt-Kaler
Concept of deterministic single ion doping with sub-nm spatial
resolution, Appl. Phys. A 83, 321 (2006).

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