DE102022124674B4

DE102022124674B4 - Quantencomputeranordnung und Quantencomputer

Info

Publication number: DE102022124674B4
Application number: DE102022124674.4A
Authority: DE
Inventors: Michael Johanning; Sebastian Bock; Pedram Yaghoubi; Patrick Huber; Patrick Barthel; Christof Wunderlich; Theeraphot Sriarunothai; Ivan Boldin
Original assignee: Eleqtron GmbH
Current assignee: Eleqtron De GmbH
Priority date: 2022-09-26
Filing date: 2022-09-26
Publication date: 2024-06-20
Anticipated expiration: 2042-09-27
Also published as: WO2024068630A1; DE102022124674A1

Abstract

Es wird eine Quantencomputeranordnung (1) angegeben, die eine Permanentmagnetanordnung (2) und ein Substrat (50) umfasst. Die Quantencomputeranordnung ist so konfiguriert, dass sie eine planare Paul-Falle (100) zum Einfangen mindestens eines Ionenkristalls (6a, 6b) mit mehreren, entlang einer vordefinierten Linie (7) aufgereihten Ionen (6) realisiert. Komponenten der Quantencomputeranordnung, die Elektroden (20, 30, 40a, 40b) der planaren Paul-Falle zum Aufbau eines elektrischen Einfangpotentials darstellen, sind auf einer Oberseite (51) des Substrats (50) angeordnet. Die vordefinierte Linie befindet sich oberhalb der Oberseite (51). Die Permanentmagnetanordnung baut ein Magnetfeld auf, dessen Größe sich entlang der vordefinierten Linie ändert.Ferner wird ein Quantencomputer (8) mit einer Quantencomputeranordnung (1) angegeben.

Description

Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf eine Quantencomputeranordnung und einen Quantencomputer.
Das Papier von Yuji Kawai, et al., „Surface-electrode trap with an integrated permanent magnet for generating a magnetic-field gradient at trapped ions", Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics, 2016, 50. Jg., Nr. 2, S. 025501. DOI: https://doi.org/10.1088/1361-6455/50/2/025501, beschreibt eine Oberflächenelektrodenfalle mit integriertem Permanentmagnet zur Erzeugung eines Magnetfeldgradienten an gefangenen Ionen.
Die Doktorarbeit von Eamon Daniel Standing, „Design and fabrication of high magnetic field gradients towards fault tolerant two-qubit gates with trapped ions using longwavelength radiation", 2017, ISNI: 0000 0004 6348 4575, University of Sussex, URL:

https://ethos.bl.uk/OrderDetails.do? uin=uk.bl.ethos.720409, beschäftigt sich mit dem Design und der Herstellung von hohen magnetischen Feldgradienten für fehlertolerante Zwei-Qubit-Gatter mit gefangenen Ionen mit langwelliger Strahlung.

Bei vielen Quantencomputerprozessen, die Quantencomputeranordnungen verwenden, sind die Anordnungen so konfiguriert, dass sie Quantenteilchen wie Ionen einfangen. Während des Betriebs bilden die gefangenen Quantenteilchen Quantenbits, kurz Qubits. Die eingefangenen Quantenteilchen müssen kontrolliert und manipuliert werden, um Berechnungen durchführen zu können. Bei den eingefangenen Quantenteilchen kann eine Wechselwirkung wie z.B. die Coulomb-Abstoßung eine Kopplung benachbarter eingefangener Quantenteilchen bewirken und so eine Verschränkung ermöglichen. Um mit den eingefangenen Quantenteilchen Quantencomputerprozesse durchführen zu können, müssen die eingefangenen Quantenteilchen individuell voneinander steuerbar und adressierbar sein.
Eine individuelle Adressierung einer Vielzahl von eingefangenen Quantenteilchen, z. B. eines Quantenbitregisters, bei vernachlässigbarem Übersprechen ist wünschenswert. Das Übersprechen zwischen benachbarten eingefangenen Quantenteilchen ist jedoch in der Regel eine schwer zu kontrollierende Fehlerquelle bei Quantencomputerprozessen und kann eine sinnvolle Anwendung von Quantenfehlerkorrekturprotokollen und damit die Skalierbarkeit verhindern.
Daher besteht ein Ziel darin, eine verbesserte Quantencomputeranordnung bereitzustellen, zum Beispiel eine Quantencomputeranordnung, die kompakt konstruiert und/oder einfach herzustellen ist und/oder eine verbesserte Kontrollierbarkeit ermöglicht. Ein weiteres Ziel ist es, einen Quantencomputer mit einer solchen Quantencomputeranordnung bereitzustellen.
Diese Aufgaben werden unter anderem durch die Gegenstände von Anspruch 1 und Anspruch 15 gelöst, die auch die Erfindung definieren. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterentwicklungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche und können auch der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren entnommen werden.
Im Folgenden werden Teile der Beschreibung und Zeichnungen, die sich auf Ausführungsformen oder Ausführungsbeispiele beziehen, die nicht von den Ansprüchen abgedeckt sind, nicht als Ausführungsformen oder Ausführungsbeispiele der Erfindung präsentiert, sondern als Beispiele, die zum Verständnis der Erfindung nützlich sind.
Zunächst wird die Quantencomputeranordnung beschrieben.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Quantencomputeranordnung eine Permanentmagnetanordnung. Die Permanentmagnetanordnung ist beispielsweise symmetrisch, insbesondere geometrisch symmetrisch, in Bezug auf eine Symmetrieebene. Dies bedeutet, dass die Geometrie bzw. Form der Permanentmagnetanordnung symmetrisch zur Symmetrieebene ist. Die Geometrie der Permanentmagnetanordnung kann auch eine Rotationssymmetrie aufweisen, z. B. eine n-fache Rotationssymmetrie, wobei n mindestens 3 oder mindestens 4 oder mindestens 6 oder mindestens 8 ist.
Gemäß mindestens einer Ausführungsform umfasst die Quantencomputeranordnung ein Substrat. Das Substrat kann ein elektrisch isolierendes Substrat sein. Das Substrat kann Saphir oder Diamant oder eine Keramik, wie AlN, aufweisen.
Gemäß mindestens einer Ausführungsform ist die Quantencomputeranordnung so konfiguriert, dass sie eine planare Paul-Falle zum Einfangen mindestens eines Ionenkristalls mit mehreren entlang einer vordefinierten Linie aufgereihten Ionen realisiert. Mit anderen Worten: Im Betrieb stellt die Quantencomputeranordnung, d. h. zumindest ein Teil davon, eine planare Paul-Falle dar. Eine Paul-Falle ist auch als Quadrupol-Ionenfalle oder Hochfrequenzfalle (HF-Falle) bekannt. Sie ist eine Art von Ionenfalle, die dynamische elektrische Felder nutzt, um geladene Teilchen einzufangen.
Die planare Paul-Falle ist dazu eingerichtet, mindestens einen Ionenkristall mit 2 oder mehr, z. B. mindestens 8 oder mindestens 20 oder mindestens 100 und/oder höchstens 1000 Ionen einzufangen, die entlang der vordefinierten Linie aufgereiht sind.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind auf einer Oberseite des Substrats Komponenten der Quantencomputeranordnung angeordnet, die Elektroden der planaren Paul-Falle zur Erzeugung eines elektrischen Einfangpotentials darstellen, im Folgenden einfach als Elektroden der planaren Paul-Falle bezeichnet. Insbesondere sind alle Elektroden der planaren Paulfalle, mit denen das elektrische Einfangpotential erzeugt wird, auf der Oberseite des Substrats angeordnet.
Die Oberseite des Substrats ist zum Beispiel eine ebene Oberseite. Das Substrat kann Teil der planaren Paul-Falle sein. Die Elektroden können durch ein Abscheideverfahren, wie Sputtern oder Aufdampfen, auf das Substrat aufgebracht sein. Die Dicke der Elektroden kann durch ein galvanisches Verfahren erhöht sein. Das Substrat kann die Elektroden mechanisch stabilisieren. Zwischen den Elektroden und der Oberseite kann sich eine Haftschicht befinden, um die Haftung der Elektroden auf der Oberseite zu verbessern.
Die planare Paul-Falle umfasst beispielsweise mindestens zwei HF-Elektroden, mindestens zwei Gleichstromelektroden und mindestens zwei Endkappenelektroden. Alle diese Elektroden können in einer gemeinsamen Elektrodenebene angeordnet sein.
Die Elektroden der planaren Paul-Falle können sich von der Permanentmagnetanordnung unterscheiden. Daher kann die planare Paul-Falle eine separate Vorrichtung der Quantencomputeranordnung sein, die sich von der Permanentmagnetanordnung unterscheidet. Alternativ dazu können eine oder mehrere Komponenten der Permanentmagnetanordnung auch Elektroden der planaren Paul-Falle bilden, so dass die planare Paul-Falle zumindest teilweise durch die Permanentmagnetanordnung gebildet wird.
Während des Betriebs erzeugen die Elektroden der planaren Paul-Falle ein oszillierendes elektrisches Potenzial, das dazu eingerichtet ist, mindestens ein Ionenkristall mit mehreren aufgereihten Ionen in Richtungen parallel zu der vordefinierten Linie und in Richtungen senkrecht zu der vordefinierten Linie, hier auch als radiale Richtungen bezeichnet, einzufangen. Es entsteht also mindestens ein elektrischer Potentialtopf, in der die Ionen in allen Raumrichtungen eingefangen sind und der so ausgebildet ist, dass sich die Ionen entlang der vordefinierten Linie hintereinander anordnen, z.B. in einer linearen Anordnung. Eine Vielzahl von Ionen, die in dem gleichen elektrischen Potentialtopf gefangen sind, wird hier als Ionenkristall bezeichnet.
Die vordefinierte Linie, auch Fallenlinie genannt, wird durch das von der planaren Paul-Falle erzeugte elektrische Potenzial definiert und ist somit von der Geometrie der planaren Paul-Falle abhängig. Die gefangenen Ionen sind entlang der vordefinierten Linie angeordnet. Beispielsweise schneidet jedes der Ionen des mindestens einen Ionenkristalls die vordefinierte Linie und/oder oszilliert um die vordefinierte Linie. Mit anderen Worten: In der Paul-Falle sind die Ionen der mindestens einen Ionenfalle in einer Ionenkette angeordnet, die sich entlang der vordefinierten Linie erstreckt. Die vordefinierte Linie kann parallel zur Oberseite des Substrats verlaufen.
Jede Elektrode kann als Plättchen, Schicht oder Film ausgebildet sein. Die Haupterstreckungsebenen der Elektroden verlaufen z. B. parallel zur Oberseite.
Die Elektroden können jeweils aus Metall bestehen. Sie können zum Beispiel aus Au oder einem anderen Material wie Cu bestehen. In diesem Fall können die Elektroden mit Au beschichtet sein. Jede Elektrode ist insbesondere ein zusammenhängendes Metallelement ohne Unterbrechungen. Die Ausdehnung der Elektroden entlang ihrer jeweiligen Haupterstreckungsebene beträgt zum Beispiel höchstens 300 mm oder höchstens 50 mm oder höchstens 10 mm oder höchstens 1 mm. Die senkrecht zur Haupterstreckungsebene gemessenen Dicken der Elektroden betragen z. B. höchstens 100 µm oder höchstens 50 µm.
Neben den Elektroden für die Paul-Falle kann die Quantencomputeranordnung auch Komponenten für die Stromversorgung der Elektroden umfassen, wie etwa eine Stromversorgung und/oder Steuereinheiten.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Quantencomputeranordnung so konfiguriert, dass sich die vordefinierte Linie oberhalb der Oberseite befindet, d. h. versetzt zur Oberseite und versetzt zum Substrat.
Insbesondere kann die vordefinierte Linie oberhalb der Elektroden der planaren Paul-Falle angeordnet sein. Dies bedeutet, dass die Ionen im Betrieb oberhalb der Oberseite bzw. oberhalb der Elektroden der planaren Paul-Falle schweben. In einer Richtung senkrecht zur Oberseite sind z. B. alle Elektroden der Paul-Falle entweder vor oder hinter der vordefinierten Linie angeordnet, d. h. vor oder hinter den Ionen.
Beispielsweise beträgt ein durchschnittlicher Abstand zwischen der Oberseite und der vordefinierten Linie, gemessen in einer Richtung senkrecht zur Oberseite, mindestens 20 µm oder mindestens 100 µm. Zusätzlich oder alternativ dazu beträgt der Mindestabstand höchstens 500 µm oder höchstens 200 µm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform baut die Permanentmagnetanordnung ein Magnetfeld auf. Die Größe des Magnetfeldes ändert sich dabei entlang der vordefinierten Linie.
Unter dem Magnetfeld wird hier die magnetische Flussdichte verstanden. Dementsprechend ist die Größe des Magnetfelds der Betrag der magnetischen Flussdichte.
Das von der Permanentmagnetanordnung erzeugte Magnetfeld ist oder umfasst z. B. ein magnetisches Quadrupolfeld. Es können auch höhere Multipolmomente vorhanden sein. In einem Zentrum des Magnetfeldes kann der Betrag des Magnetfeldes gleich Null sein. Das Zentrum des Magnetfeldes kann mit einem geometrischen Zentrum der Permanentmagnetanordnung und/oder der planaren Paul-Falle übereinstimmen. Beispielsweise liegt das Zentrum des Magnetfeldes in der Symmetrieebene der Permanentmagnetanordnung und/oder auf der vordefinierten Linie. Das Magnetfeld kann punktsymmetrisch in Bezug auf sein Zentrum sein.
Die Größe des Magnetfelds ändert sich entlang der vordefinierten Linie. Das bedeutet, dass sich die Magnetfeldgrößen an verschiedenen Positionen auf der vordefinierten Linie voneinander unterscheiden. Die Änderung der Größe des Magnetfelds entlang der vordefinierten Linie wird hier auch als Gradient des Magnetfelds entlang der vordefinierten Linie bezeichnet.
Die Änderung der Größe des Magnetfeldes kann zumindest abschnittsweise monoton, z. B. streng monoton, sein. Beispielsweise kann die Änderung des Magnetfeldes ausgehend von dem Zentrum des Magnetfeldes in beiden Richtungen entlang der vordefinierten Linie monoton oder streng monoton sein. Die Richtung des Magnetfeldes kann sich entlang der vordefinierten Linie ändern oder entlang der vordefinierten Linie konstant bleiben.
In mindestens einer Ausführungsform umfasst die Quantencomputeranordnung eine Permanentmagnetanordnung und ein Substrat. Die Quantencomputeranordnung ist so konfiguriert, dass sie eine planare Paul-Falle zum Einfangen mindestens eines Ionenkristalls mit entlang einer vordefinierten Linie aufgereihten Ionen realisiert. Komponenten der Quantencomputeranordnung, die Elektroden der planaren Paul-Falle zur Erzeugung eines elektrischen Einfangpotentials bilden, sind auf einer Oberseite des Substrats angeordnet. Die vordefinierte Linie befindet sich oberhalb der Oberseite. Die Permanentmagnetanordnung baut ein Magnetfeld auf, wobei sich die Größe des Magnetfeldes entlang der vordefinierten Linie ändert.
Gefangene Ionen sind hervorragende Quantensysteme für die Quantenkontrolle und -metrologie. In der vorliegenden Erfindung werden sie in einer planaren Paul-Falle gespeichert und bilden mindestens einen entlang einer vordefinierten Linie ausgerichteten Ionenkristall. Für die Quantencomputing mit gefangenen Ionen sowie für bestimmte Aufgaben in der Metrologie ist die individuelle Kontrolle über einzelne Ionen wünschenswert. Bei der Manipulation von Ionen durch HF-Strahlung kann diese Einzelionenkontrolle nicht durch Fokussierung der Strahlung erreicht werden, da die Wellenlänge normalerweise den Ionenabstand im Ionenkristall um Größenordnungen überschreitet. Auch die Kopplung der internen und externen Quantenzustände, die durch den Lamb-Dicke-Parameter quantifiziert wird, kann durch HF-Strahlung nicht erreicht werden.
Die vorliegende Erfindung beruht u.a. auf der Idee, ein inhomogenes Magnetfeld zu nutzen, das durch eine Permanentmagnetanordnung bereitgestellt wird. Dies bietet die Möglichkeit, die Ionen im Frequenzraum mittels HF-Strahlung individuell anzusprechen. Andererseits macht die Überlagerung des durch die planare Paul-Falle verursachten elektrischen Potentials mit dem Magnetfeld der Permanentmagnetanordnung die Gleichgewichtspositionen der Ionen von ihrem jeweiligen Quantenzustand abhängig. Dies hat zur Folge, dass durch die Coulomb-Wechselwirkung zwischen den gefangenen Ionen eine effektive Spin-Spin-Kopplung erreicht wird. Dies ermöglicht eine Verschränkung der Quantenzustände der Ionen.
Außerdem können mehrere Quantenregister bzw. Ionenkristalle für eine weitere Skalierung vorteilhaft sein. Dies kann mit einer planaren Paul-Falle erreicht werden, die eine Skalierung über Hunderte von Ionen hinaus erlaubt und damit eine Gesamtzahl von gefangenen Ionen erreicht, die deutlich über die Quantenüberlegenheit hinausgeht, was die Lösung von Rechenproblemen ermöglicht, die für klassische Supercomputer bisher unzugänglich sind.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Verwendung der beschriebenen Quantencomputeranordnung für die Quanteninformationsverarbeitung eine fortgeschrittene Adressierung im Frequenzraum und damit individuelle Einzel-Qubit-Drehungen mit geringem Übersprechen ermöglicht und eine effektive Kopplung zwischen den Ionen einführt, wodurch Multi-Qubit-Gatter möglich werden. Dies kann auch in Verbindung mit HF-Frequenzen genutzt werden, für die eine Adressierung durch fokussierte Strahlung aufgrund der langen Wellenlänge nicht in Frage kommt, die Nutzung von HF-Feldern zur Qubit-Steuerung jedoch die Anwendung etablierter und wirtschaftlicher Miniaturisierungs- und Integrationstechniken, die selbst in der Unterhaltungselektronik bereits üblich sind, ermöglicht und vereinfacht die Skalierung eines auf Ionenfallen basierenden Quantencomputers.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Permanentmagnetanordnung eine Vielzahl von permanent magnetisierten Segmenten. Die Segmente können im Rahmen der Fertigungstoleranzen alle identisch geformt sein.
Die Permanentmagnetanordnung kann mindestens vier oder mindestens acht oder mindestens 16 oder mindestens 32 Segmenten aufweisen. Jedes Segment umfasst oder besteht aus einem permanentmagnetischen Material. Das permanentmagnetische Material ist zum Beispiel ein ferromagnetisches Material. Die Segmente können jeweils dasselbe Material aufweisen oder daraus bestehen. Jedes Segment ist z. B. einstückig gebildet. Alternativ ist jedes Segment aus mindestens zwei Teilsegmenten gebildet, wobei die mindestens zwei Teilsegmente die gleichen Material- und/oder Magnetisierungseigenschaften aufweisen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform hat jedes Segment eine Magnetisierungsrichtung. Die Magnetisierung eines jeden Segments ist durch ein Vektorfeld definiert, das für die Dipolmomente des jeweiligen permanentmagnetischen Materials repräsentativ ist. Das heißt, dass das jeweilige permanentmagnetische Material Dipolmomente aufweist. Das Vektorfeld, insbesondere die Dipolmomente des permanentmagnetischen Materials, definieren die jeweilige Magnetisierungsrichtung. Die Dipolmomente zeigen weitgehend in die Magnetisierungsrichtung.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Segmente so angeordnet, dass sich die Magnetisierungsrichtungen mindestens einiger Segmente voneinander unterscheiden, so dass die Permanentmagnetanordnung das Magnetfeld aufbaut, dessen Größe sich entlang der vordefinierten Linie ändert.
Zum Beispiel sind die Magnetisierungsrichtungen jedes Paares direkt benachbarter Segmente unterschiedlich zueinander. Die Magnetisierungsrichtungen können sich um einen Winkel von mindestens 5° oder mindestens 10° und/oder höchstens 90° oder höchstens 45° voneinander unterscheiden. Wenn es beispielsweise m Segmente gibt, wobei m eine gerade natürliche Zahl von mindestens 4 ist, sind die Magnetisierungsrichtungen der beiden direkt benachbarten Segmente um 360°.3/m gegeneinander gedreht.
Das durch die Magnetisierungsrichtungen der Segmente und die Lage der Segmente im Raum definierte Vektorfeld kann in Bezug auf die oben genannte Symmetrieebene symmetrisch sein. Insbesondere kann dieses Vektorfeld die gleiche Symmetrie aufweisen wie die Geometrie der Permanentmagnetanordnung. Alternativ kann das Vektorfeld in Bezug auf die Symmetrieebene asymmetrisch sein und/oder eine andere Symmetrie als die Geometrie der Permanentmagnetanordnung aufweisen oder sogar asymmetrisch sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Quantencomputeranordnung umfasst die Permanentmagnetanordnung NdFeB. Insbesondere umfasst die Permanentmagnetanordnung NdFeB N52. Exemplarisch umfasst oder besteht jedes Segment aus NdFeB, insbesondere NdFeB N52.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Segmente in einer Halbach-Anordnung angeordnet. Eine Halbach-Anordnung ist eine spezielle Anordnung von Permanentmagneten, die das Magnetfeld auf der einen Seite der Anordnung verstärkt und auf der anderen Seite auf nahezu Null aufhebt. Dies wird insbesondere durch ein räumlich rotierendes Muster der Magnetisierungsrichtungen der Segmente erreicht.
Mit einer solchen Halbach-Anordnung lassen sich besonders hohe Magnetfelder und Magnetfeldgradienten erreichen. Da die effektive Spin-Spin-Kopplung sowie die Unterschiede in den Resonanzen benachbarter Ionen von der Inhomogenität und der Größe des Magnetfelds abhängen, ist eine Halbach-Anordnung besonders nützlich. Die Halbach-Anordnung ermöglicht große Gradienten, selbst wenn der Abstand zwischen einer Oberfläche (einschließlich der Oberflächen von Fallen-Elektroden und Magneten) und den gefangenen Ionen groß sein sollte, was für hochgradig zuverlässige Gates mit gefangenen Ionen wünschenswert ist. In Verbindung mit z. B. segmentierten Fallen ermöglicht dies flexible Fallenkonfigurationen, um mehrere Register einzufangen, Quantenregister aufzuteilen und zu verschmelzen, die Kopplungskonstante zwischen Qubits abzustimmen und ganz allgemein die Leistung von Quantencomputern auf der Grundlage von Ionenfallen zu skalieren.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umgibt die Permanentmagnetanordnung die planare Paul-Falle und/oder deren Elektroden. Das heißt, die planare Paulfalle ist eine von der Permanentmagnetanordnung verschieden Vorrichtung. Insbesondere unterscheiden sich die Segmente der Permanentmagnetanordnung von den Elektroden der planaren Paulfalle. Die Permanentmagnetanordnung hat beispielsweise die Form eines Rings oder die Form der Kontur bzw. des Umfangs eines Polygons. So kann die planare Paul-Falle von einer ringförmigen oder polygonkonturierten Permanentmagnetanordnung umgeben sein. Die Permanentmagnetanordnung kann dann das Magnetfeld im Inneren des Rings oder der Kontur verstärken und das Feld außerhalb des Rings oder der Kontur auf der anderen Seite auf nahezu Null reduzieren.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind zumindest einige Elektroden der planaren Paul-Falle durch Segmente der Permanentmagnetanordnung gebildet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind zumindest einige Elektroden der planaren Paul-Falle, d.h. einige oder alle Elektroden der planaren Paul-Falle, in einer gemeinsamen Elektrodenebene angeordnet. Beispielsweise sind alle Elektroden der planaren Paul-Falle, mit denen das elektrische Einfangpotential erzeugt wird, in der Elektrodenebene angeordnet. Die Oberseite kann mit der Elektrodenebene übereinstimmen oder parallel zu ihr verlaufen.
Die in der Elektrodenebene angeordneten Elektroden kreuzen sich insbesondere mit der Elektrodenebene. Haupterstreckungsebenen der Elektroden verlaufen z. B. parallel oder decken sich mit der Elektrodenebene.
Einige Elektroden der planaren Paul-Falle können auch auf unterschiedlichen Höhen in Bezug auf die Oberseite angeordnet sein. Beispielsweise sind Elektrodenstapel auf der Oberseite angeordnet, wobei die einzelnen Elektroden durch Isolierschichten in Richtung senkrecht zur Oberseite getrennt sind.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform beträgt die laterale Ausdehnung der planaren Paul-Falle und/oder des Substrats höchstens 5 cm oder höchstens 2 cm oder höchstens 1 cm. Die laterale Ausdehnungen werden z. B. entlang der Elektrodenebene gemessen. Eine senkrecht zur Elektrodenebene gemessene Dicke der planaren Paul-Falle oder des Substrats kann höchstens 1 cm oder höchstens 0,5 cm oder höchstens 0,2 cm betragen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist mindestens ein Teil der Permanentmagnetanordnung im Substrat angeordnet, beispielsweise eingebettet in das Substrat. Zum Beispiel sind ein oder mehrere oder alle Segmente der Permanentmagnetanordnung im Substrat angeordnet. Unabhängig davon, ob die Permanentmagnetanordnung die planare Paul-Falle umgibt oder im Substrat oder an anderer Stelle angeordnet ist, kann die Permanentmagnetanordnung ringförmig oder polygonkonturiert sein. So können die Segmente in einem Ring oder in einer Polygonkontur angeordnet sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die planare Paul-Falle eine lineare planare Paul-Falle zum Einfangen mindestens eines Ionenkristalls, dessen Ionen entlang einer vordefinierten geraden Linie bzw. Achse aufgereiht sind. Die vordefinierte Linie ist also eine vordefinierte Gerade bzw. eine vordefinierte Achse. Alternativ kann die planare Paul-Falle auch eine kreisförmige planare Paul-Falle sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform baut die Permanentmagnetanordnung ein im Wesentlichen zweidimensionales Magnetfeld auf, das hauptsächlich in einer Magnetfeldebene konzentriert ist. Das Zentrum des Magnetfeldes kann in der Magnetfeldebene liegen. Die oben erwähnte Symmetrieebene der Permanentmagnetanordnung steht beispielsweise senkrecht zur Magnetfeldebene. Zum Beispiel sind alle Segmente der Permanentmagnetanordnung in der Magnetfeldebene angeordnet.
Wenn man von der Magnetfeldebene ausgeht und sich in Richtungen senkrecht zur Magnetfeldebene bewegt, nimmt das Magnetfeld ab, d. h. die durchschnittliche Größe des Magnetfelds fällt auf nahezu Null ab. Die Abklinglänge hängt von den Abmessungen der Permanentmagnetanordnung ab, z. B. vom inneren und/oder äußeren Radius und/oder der senkrecht zur Magnetfeldebene gemessenen Dicke der Segmente.
Insbesondere ist die Abklinglänge proportional zum inneren und/oder äußeren Radius und zur Dicke der Segmente.
Zum Beispiel hat die durchschnittliche Größe des Magnetfelds eine Halbwertsbreite (FWHM) von mindestens 1 µm oder mindestens 10 µm und/oder höchstens 10 mm oder höchstens 500 µm in Richtung senkrecht zur Magnetfeldebene. In diesem Fall ist z. B. die durchschnittliche Größe des Magnetfelds außerhalb der Magnetfeldebene, z. B. in einem Abstand von 1 mm von der Magnetfeldebene, um mindestens eine Größenordnung kleiner als die durchschnittliche Größe des Magnetfelds in der Magnetfeldebene. Mit anderen Worten: Die Magnetfeldebene ist eine Haupterstreckungsebene der Magnetfeldstärke.
Sind die Segmente der Permanentmagnetanordnung beispielsweise in Form eines Rings angeordnet, wobei die Haupterstreckungsebene des Rings die xy-Ebene definiert, so ist die magnetische Flussdichte B die dem Magnetfeld entspricht: $\vec{B} = 2 B_{R} (\frac{1}{R_{i}} - \frac{1}{R_{0}}) (\begin{matrix} 1 & 0 \\ 0 & - 1 \end{matrix}) (\begin{matrix} x \\ y \end{matrix}) .$
B_R ist die Remanenz der Segmente, R_i der Innenradius des Rings, R_o der Außenradius des Rings und x und y sind die Koordinaten innerhalb der Permanentmagnetanordnung. In diesem Fall ist die Magnetfeldebene die xy-Ebene bzw. die Haupterstreckungsebene des Rings.
Die Magnetfeldebene kann parallel zur Oberseite des Substrats und/oder der Elektrodenebene verlaufen. Wenn die Segmente im Substrat angeordnet bzw. eingebettet sind, kann die Magnetfeldebene durch das Substrat verlaufen. Die Elektroden und/oder die vordefinierte Linie können dann zu der Magnetfeldebene versetzt sein. Durch den geringen Abstand der vordefinierten Linie von der Oberseite und damit durch den geringen Abstand der vordefinierten Linie zur Magnetfeldebene, z. B. von höchstens 100 µm, ist die Größe des Magnetfeldes entlang der vordefinierten Linie jedoch noch ausreichend, um Quantenberechnungen durchzuführen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Quantencomputeranordnung ferner eine Jochstruktur zur Erhöhung des durch die Permanentmagnetanordnung aufgebauten Magnetfelds und/oder der Änderung der Größe des durch die Permanentmagnetanordnung aufgebauten Magnetfelds entlang der vordefinierten Linie. Die Jochstruktur ist insbesondere so angeordnet, dass sie das Magnetfeld oder den Magnetfeldgradienten im Bereich der eingefangenen Ionen, d.h. entlang der vordefinierten Linie, erhöht. Die Jochstruktur umfasst oder besteht beispielsweise aus einem weichmagnetischen Material. Es kann eine Koerzitivfeldstärke von höchstens 1000 A/m oder von höchstens 100 A/m haben. Das weichmagnetische Material kann ein ferromagnetisches Material sein, das so konfiguriert ist, dass es durch das von der Permanentmagnetanordnung erzeugte Magnetfeld magnetisiert wird. Das weichmagnetische Material kann eine relative magnetische Permeabilität von mindestens 300 oder mindestens 1000 oder mindestens 10000 haben. Beispielhaft hat das weichmagnetische Material eine relative magnetische Permeabilität von etwa 12000. Die Sättigungsflussdichte des weichmagnetischen Materials kann mindestens 0,5 T oder mindestens 2 T betragen. Das weichmagnetische Material umfasst beispielsweise mindestens eines der folgenden Elemente: Eisen, Kobalt, Vanadium, Mangan, Niob, Silizium, Kohlenstoff.
Die Jochstruktur kann sich entlang oder parallel zu der vordefinierten Linie erstrecken. Die Jochstruktur umfasst beispielsweise zwei Abschnitten, die in einer Richtung parallel zu der vordefinierten Linie voneinander beabstandet sind. Jeder der beiden Abschnitte kann langgestreckt sein und sich beispielsweise entlang oder parallel zu der vordefinierten Linie erstrecken, d. h. die langgestreckten Abschnitte können parallel zu der vordefinierten Linie ausgerichtet sein.
Die Steilheit des magnetischen Gradienten kann durch die Verwendung der Jochstruktur zur Konzentration des magnetischen Flusses weiter erhöht werden. Die Jochstruktur wird beispielsweise in Bereichen platziert, in denen das Magnetfeld der Permanentmagnetanordnung bereits eine geringe Größe hat, und konzentriert es auf den kleinen Querschnitt der Jochstruktur, ohne die Sättigungsmagnetisierung der Jochstruktur zu überschreiten, wodurch die Größe der erreichbaren Gradienten erheblich gesteigert wird, was ein geringeres Übersprechen, stärkere Kopplungen und schnellere Quantengates ermöglicht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Jochstruktur in dem Substrat angeordnet bzw. eingebettet. Insbesondere können die mindestens zwei länglichen Abschnitte der Jochstruktur in dem Substrat angeordnet sein. Zum Beispiel ist die Jochstruktur in das Substrat eingebettet.
Alternativ kann die Jochstruktur auch auf der Oberseite des Substrats angeordnet werden. Ebenso kann die Permanentmagnetanordnung, z. B. zumindest einige Segmente davon, auf der Oberseite des Substrats angeordnet sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Jochstruktur zumindest teilweise durch Elektroden der planaren Paul-Falle gebildet. Zum Beispiel bilden zumindest einige Elektroden der planaren Paul-Falle einen Teil der Jochstruktur. Mit anderen Worten: zumindest einige Elektroden der Paul-Falle können ein weichmagnetisches Material umfassen oder daraus bestehen, um das Magnetfeld oder den Magnetfeldgradienten, der durch die Permanentmagnetanordnung aufgebaut wird, zu erhöhen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Jochstruktur eine Eisen-Kobalt-Legierung oder besteht aus einer solchen. Die Eisen-Kobalt-Legierung kann Vanadium enthalten, z. B. in einer Konzentration von mindestens 1,5 % und höchstens 3 %.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform beträgt die Änderung des Magnetfeldes entlang der vordefinierten Linie im Zentrum des Magnetfeldes mindestens 0,5 T/m oder mindestens 50 T/m oder mindestens 100 T/m und/oder höchstens 500 T/m.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die planare Paul-Falle eine segmentierte planare Paul-Falle. Die planare Paul-Falle ist z. B. dazu eingerichtet, mehrere elektrische Potentialtöpfe zu erzeugen. Jede Potenzialtopf ist beispielsweise dazu eingerichtet, einen Ionenkristall aufzunehmen bzw. einzufangen, wobei jeder Ionenkristall mehrere Ionen aufweist, die entlang einer vordefinierten Linie aufgereiht sind. Zwischen den Potenzialtöpfen kann eine elektrische Potenzialwand angeordnet sein, die zwei benachbarte Ionenkristalle trennt.
Alle Merkmale, die hier für einen Ionenkristall beschrieben sind, gelten auch für alle weiteren Ionenkristalle.
Die einzelnen vordefinierten Linien, die den verschiedenen Ionen-Kristallen zugeordnet sind, können alle gerade Linien sein. Sie können zum Beispiel alle mit derselben Geraden zusammenfallen. Alternativ können die einzelnen vordefinierten Linien, die den einzelnen Ionenkristallen zugeordnet sind, voneinander abweichen, z. B. können sie gegeneinander versetzt sein und/oder auf unterschiedlichen Höhen in Bezug auf die Oberseite des Substrats liegen. Die einzelnen Linien können aber auch nachwievor parallel zueinander verlaufen.
Die Potentialtöpfe und/oder die Ionenkristalle sind z. B. hintereinander in Richtung parallel zur vordefinierten Linie oder parallel zu einer der einzelnen vordefinierten Linien angeordnet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Quantencomputeranordnung so konfiguriert, dass sie eine Wechselwirkung zwischen den Ionenkristallen durch Ionentransport und/oder photonische Verbindungen ermöglicht. So kann beispielsweise ein von einem Ion eines Ionenkristalls emittiertes Photon mit einem Ion eines benachbarten Ionenkristalls wechselwirken. Alternativ können durch Veränderung der Potenzialwand zwischen zwei benachbarten Potenzialtöpfen ein oder mehrere Ionen von einem Ionenkristall auf den benachbarten Ionenkristall übertragen werden. Zum Beispiel kann die Potenzialwand so flach und/oder so schmal gemacht werden, dass ein Ion von einem Ionenkristall zum benachbarten Ionenkristall springt.
Planare segmentierte Fallen ermöglichen eine große Anzahl von Registern, die unabhängig voneinander durch HF gesteuert werden können, aber auch durch Ionentransport oder photonische Verbindungen interagieren können.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die segmentierte planare Paul-Falle dazu eingerichtet, zwei benachbarte elektrische Potenzialtöpfe zu einem größeren elektrischen Potenzialtopf zu vereinen. Beispielsweise kann die Potenzialwand zwischen zwei benachbarten Potenzialtöpfen aufgelöst werden, um aus zwei kleineren Potenzialtöpfen einen größeren Potenzialtopf zu erzeugen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die segmentierte planare Paul-Falle dazu eingerichtet, einen elektrischen Potenzialtopf in zwei benachbarte, kleinere elektrische Potenzialtöpfe zu unterteilen. Beispielsweise kann eine Potenzialwand innerhalb eines Potenzialtopfs erzeugt werden, so dass zwei kleinere Potenzialtöpfe durch die Potenzialwand getrennt werden.
Die Begriffe „kleiner“ und „größer“ im Zusammenhang mit Potentialtöpfen bedeuten insbesondere kleinere oder größere Ausdehnungen der Potentialtöpfe in einer Richtung parallel zu der vordefinierten Linie.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die planare Paul-Falle eine innere Elektrodenstruktur, zwei äußere Elektrodenstrukturen und zwei Zwischenelektrodenstrukturen. Jede dieser Elektrodenstrukturen kann eine Vielzahl von voneinander beabstandeten Elektroden umfassen oder daraus bestehen oder aus einer einzigen, zusammenhängenden Elektrode bestehen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die innere Elektrodenstruktur zwischen den Zwischenelektrodenstrukturen und sind die Zwischenelektrodenstrukturen zwischen den äußeren Elektrodenstrukturen angeordnet. Zum Beispiel sind in einer Querrichtung parallel zur Oberseite bzw. Elektrodenebene und senkrecht zur vordefinierten Linie die inneren Elektrodenstrukturen zwischen den Zwischenelektrodenstrukturen und die Zwischenelektrodenstrukturen zwischen den äußeren Elektrodenstrukturen angeordnet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform erstrecken sich die Elektrodenstrukturen jeweils parallel zu der vordefinierten Linie. Beispielsweise ist jede Elektrodenstruktur eine längliche Struktur mit einer Haupterstreckungsrichtung der Elektrodenstruktur parallel zu der vordefinierten Linie verläuft.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfassen die äußeren Elektrodenstrukturen jeweils mindestens drei Elektroden, nämlich zwei Endelektroden und mindestens eine Mittelelektrode. Die mindestens eine Mittelelektrode ist in einer Richtung parallel zur vordefinierten Linie zwischen den beiden Endelektroden angeordnet. Die innere Elektrodenstruktur und die Zwischenelektrodenstruktur können jeweils aus nur einer Elektrode bestehen, die sich in einer Richtung parallel zu der vordefinierten Linie erstreckt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die innere Elektrodenstruktur mindestens eine Elektrode. Die Zwischenelektrodenstrukturen umfassen jeweils mindestens eine Elektrode. Die Elektroden der inneren und der dazwischenliegenden Elektrodenstrukturen erstrecken sich beispielsweise in der Richtung parallel zu der vordefinierten Linie. Sie können sich dabei über die mindestens drei Elektroden der äußeren Elektrodenstrukturen in Richtung parallel zu der vordefinierten Linie erstrecken.
Gemäß mindestens einer Ausführungsform sind die Zwischenelektrodenstrukturen HF-Elektrodenstrukturen. Im Betrieb werden die HF-Elektrodenstrukturen mit einer Wechselspannung beaufschlagt. Mit Hilfe der HF-Elektrodenstrukturen wird ein oszillierendes elektrisches Potenzial erzeugt, das die Ionen in Richtungen senkrecht zur vordefinierten Linie, d. h. in radialen Richtungen, einschließt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die innere Elektrodenstruktur eine Gleichstromelektrodenstruktur. Beispielsweise ist die innere Elektrodenstruktur während des Betriebs der planaren Paul-Falle geerdet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist in jeder äußeren Elektrodenstruktur die mindestens eine Mittelelektrode unabhängig von den Endelektroden steuerbar. Das heißt, die mindestens eine Mittelelektrode kann auf ein anderes elektrisches Potential als die Endelektroden eingestellt werden oder ist auf ein solches eingestellt. Dadurch kann ein elektrisches Potential zum Einfangen der Ionen in einer Richtung parallel zur vordefinierten Linie erzeugt werden. Insgesamt ergibt sich so ein elektrischer Potentialtopf zur Aufnahme eines Ionenkristalls mit mehreren entlang der vordefinierten Linie angeordneten Ionen.
Die Endelektroden sind z. B. Endkappenelektroden der planaren Paul-Falle. Die mindestens eine Mittelelektrode ist z. B. eine Gleichstromelektrode der planaren Paul-Falle. Befindet sich beispielsweise die Mittelelektrode auf einem geringeren elektrischen Potential als die Endelektroden, bildet sich eine Potentialmulde zur Aufnahme eines Ionenkristalls.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst jede äußere Elektrodenstruktur mindestens fünf Elektroden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind in jeder äußeren Elektrodenstruktur mindestens eine erste Mittelelektrode und eine zweite Mittelelektrode unabhängig von einer dritten Mittelelektrode steuerbar. Das heißt, die dritte Mittelelektrode kann auf ein anderes elektrisches Potential als die erste und die zweite Mittelelektrode eingestellt werden. Zum Beispiel kann das elektrische Potential der dritten Mittelelektrode variiert werden.
Die dritte Mittelelektrode ist zwischen der ersten und der zweiten Mittelelektrode in einer Richtung parallel zur vordefinierten Linie angeordnet, zum Beispiel neben der ersten und zweiten Mittelelektrode. Die Mittelelektroden sind zwischen den Endelektroden in einer Richtung parallel zu der vordefinierten Linie angeordnet. Auf diese Weise können mindestens zwei elektrische Potentialtöpfe erzeugt werden, die in einer Richtung parallel zu der vordefinierten Linie hintereinander angeordnet sind, und jeder Potentialtopf ist dazu eingerichtet, einen Ionenkristall aufzunehmen, d.h. eine Vielzahl von Ionen einzuschließen, die entlang der vordefinierten Linie aufgereiht sind.
Beispielsweise sind der ersten und der zweiten Mittelelektrode jeweils ein elektrischer Potentialtopf zugewiesen, so dass die zugewiesenen Potentialtöpfe, z. B. ein Minimum von diesen, mit der jeweiligen Mittelelektrode in einer Richtung parallel zu der vordefinierten Linie ausgerichtet ist. Der dritten Mittelelektrode kann eine Potentialwand zwischen den Potentialtöpfen zugeordnet sein. Die Potentialwand kann mit der dritten Mittelelektrode in einer Richtung parallel zu der vordefinierten Linie ausgerichtet sein. Zum Beispiel erzeugt die dritte Mittelelektrode die Potenzialwand.
Während des Betriebs kann die dritte Mittelelektrode auf demselben elektrischen Potenzial liegen wie die Endelektroden oder auf demselben elektrischen Potenzial wie die erste und zweite Mittelelektrode der jeweiligen äußeren Elektrodenstruktur. Beispielsweise kann das Potenzial der dritten Mittelelektrode zwischen dem Potenzial der Endelektroden und dem Potenzial der ersten und zweiten Mittelelektrode variieren. Das Potenzial der dritten Mittelelektrode kann unabhängig von dem elektrischen Potenzial der Endelektroden gesteuert werden, um die Potenzialwand zwischen den Potenzialtöpfen aufzulösen oder zu errichten. Die erste und die zweite Mittelelektrode können z. B. während des Betriebs auf Masse liegen.
Die einander entsprechenden Elektroden der beiden äußeren Elektrodenstrukturen können elektrisch so verbunden sein, dass sie auf demselben elektrischen Potenzial liegen.
Die planare Paul-Falle kann auch mit einer Vielzahl von Elektroden gebildet sein, die auf der Oberseite des Substrats in einer Pixel-Anordnung angeordnet sind. Zum Beispiel ist jede Elektrode rechteckig oder quadratisch und die Elektroden sind in einem rechteckigen Muster auf der Oberseite angeordnet. Die Elektroden können alle einzeln und unabhängig voneinander mit einer Hochfrequenz- und/oder Gleichspannung angesteuert werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Quantencomputeranordnung mindestens zwei Permanentmagnetanordnungen. Jede der beiden Permanentmagnetanordnungen kann mehrere Segmente umfassen, die jeweils eine Magnetisierungsrichtung aufweisen. Alle Merkmale, die im Zusammenhang mit einer Permanentmagnetanordnung offenbart wurden, sind auch für die andere Permanentmagnetanordnung offenbart. Insbesondere kann jede Permanentmagnetanordnung eine Halbach-Anordnung sein und/oder in das Substrat integriert sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Permanentmagnetanordnungen so eingerichtet, dass sie jeweils ein Magnetfeld erzeugen. Beispielsweise ändert sich bei jeder Permanentmagnetanordnung die Größe des jeweiligen Magnetfeldes entlang der vordefinierten Linie. Durch die Verwendung zweier solcher Permanentmagnetanordnungen können Zonen mit hoher Steuerung und/oder steiler Feldänderung mit Zonen mit niedrigem und/oder nahezu konstantem Magnetfeld für den unkritischen Ionentransport kombiniert werden. Die Permanentmagnetanordnungen sind z. B. in einer Richtung parallel zur vordefinierten Linie hintereinander angeordnet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist jedem Potentialtopf bzw. Ionenkristall eine individuelle Permanentmagnetanordnung zugeordnet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist jede Permanentmagnetanordnung so eingerichtet, dass sich eine Größe ihres Magnetfeldes entlang der vordefinierten Linie des zugeordneten Ionenkristalls ändert. Beispielsweise ist das Zentrum jeder Permanentmagnetanordnung oder das Zentrum des von dieser Permanentmagnetanordnung aufgebauten Magnetfeldes mit dem zugeordneten Potentialtopf (z.B. dessen Minimum) in einer Richtung parallel zu der jeweiligen vordefinierten Linie und/oder in Querrichtung ausgerichtet.
Beispielsweise ist der Mittelpunkt jeder Permanentmagnetanordnung oder der Mittelpunkt des von dieser Permanentmagnetanordnung erzeugten Magnetfelds mit den Mittelelektroden der äußeren Elektrodenstrukturen in einer Richtung parallel zur vordefinierten Linie ausgerichtet. Der Mittelpunkt einer ersten Permanentmagnetanordnung kann mit den ersten Mittelelektroden und der Mittelpunkt einer zweiten Permanentmagnetanordnung kann mit den zweiten Mittelelektroden ausgerichtet sein. In der Draufsicht auf die Oberseite können sich die Zentren der Permanentmagnetanordnungen mit der inneren Elektrodenstruktur überlappen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Quantencomputeranordnung eine Vakuumkammer umfasst. Während des Betriebs sind die Ionen in der Vakuumkammer gefangen. Die planare Paul-Falle oder ihre Elektroden können ebenfalls in der Vakuumkammer angeordnet sein. Bei der Vakuumkammer kann es sich um eine Ultrahochvakuumkammer, eine Extremhochvakuumkammer und/oder einen Kryostaten handeln.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Permanentmagnetanordnung außerhalb der Vakuumkammer angeordnet. Dies kann vorteilhaft sein, da die Erzeugung von Ultrahochvakuum, kurz UHV, mit Schritten wie dem Backen verbunden sein kann, was mit vielen magnetischen Materialien, insbesondere solchen mit niedriger Curie-Temperatur, unverträglich sein kann. Die Permanentmagnetanordnung erzeugt auch außerhalb der Vakuumkammer ein ausreichend hohes Magnetfeld bzw. Feldgradient im Bereich der Ionen. Alternativ kann die Permanentmagnetanordnung auch innerhalb der Vakuumkammer angeordnet werden. Die optionale Jochstruktur kann innerhalb oder außerhalb der Vakuumkammer angeordnet sein und kann das Magnetfeld (Gradient) erhöhen.
Als nächstes wird der Quantencomputer beschrieben. Der Quantencomputer umfasst eine hier beschriebene Quantencomputeranordnung. Daher sind alle für die Quantencomputeranordnung offenbarten Merkmale auch für den Quantencomputer offenbart und umgekehrt.
Der Quantencomputer ist dazu eingerichtet, unter Verwendung der Quantencomputeranordnung Quantenberechnungen durchzuführen. Die gefangenen Ionen der Quantencomputeranordnung können besonders gut mit der oben beschriebenen Permanentmagnetanordnung kontrolliert und manipuliert werden, um vordefinierte Quantenberechnungen durchzuführen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Quantencomputer außerdem ein Kühl- und/oder Auslesesystem. Das Kühl- und/oder Auslesesystem ist z. B. laserbasiert. Das Kühlsystem ist so konfiguriert, dass es die Ionen kühlt, um sie in niedrige Bewegungszustände zu versetzen und sie in ihren jeweiligen Grundzuständen einzufangen. Das Auslesesystem ist so konfiguriert, dass es den Zustand jedes Ions bestimmt. Die Ionen werden beispielsweise gekühlt und/oder ausgelesen, indem sie mit einem Laserstrahl bestrahlt werden bzw. indem Photonen des Laserstrahls gestreut werden.
Nachfolgend werden die Quantencomputeranordnung und der Quantencomputer anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Die beigefügten Figuren dienen dem weiteren Verständnis. In den Figuren können Elemente gleicher Struktur und/oder Funktionalität mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet sein. Es versteht sich von selbst, dass die in den Figuren gezeigten Ausführungsformen illustrative Darstellungen sind und nicht unbedingt maßstabsgetreu gezeichnet sind. Soweit Elemente oder Bauteile in den verschiedenen Figuren in ihrer Funktion übereinstimmen, wird ihre Beschreibung nicht für jede der folgenden Figuren wiederholt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit kann es vorkommen, dass Elemente nicht in allen Figuren mit den entsprechenden Bezugszeichen erscheinen.

1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Quantencomputeranordnung,
Die 2 und 3 zeigen ein Ausführungsbeispiel einer planaren Paul-Falle in verschiedenen Ansichten,
Die 4 und 5 zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel der Quantencomputeranordnung in verschiedenen Ansichten,
6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer planaren Paul-Falle, Die 7 und 8 zeigen weitere Ausführungsbeispiel der Quantencomputeranordnung,
9 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Quantencomputers.

1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Quantencomputeranordnung 1. Die Quantencomputeranordnung 1 umfasst eine Permanentmagnetanordnung 2. Die Permanentmagnetanordnung 2 umfasst 16 permanent magnetisierte Segmente 3. Die Segmente 3 umgeben eine planare Paul-Falle 100. Die planare Paul-Falle 100 ist so konfiguriert, dass sie einen Ionenkristall 6a mit einer Vielzahl von Ionen 6 einfängt, die entlang einer vordefinierten Linie 7 bzw. Fallenlinie 7 aufgereiht sind. In diesem Ausführungsbeispiel ist die planare Paul-Falle 100 eine lineare planare Paul-Falle zum Einfangen der Ionen 6 entlang einer geraden Linie 7. Die gerade Linie 7 definiert eine x-Achse.
Die Permanentmagnetanordnung 2 hat die Form eines Rings, in dessen Mitte die planare Paul-Falle 100 angeordnet ist. Die Dicke der einzelnen Segmente 3 beträgt z.B. 100 um. Der Ring spannt eine xy-Ebene auf. Jedes Segment 3 hat die Form eines Ringsegments. Der Mindestabstand zwischen zwei gegenüberliegenden Segmenten 3, d. h. der innere Ringdurchmesser 2Ri, beträgt etwa 0,2 mm. Außerdem hat jedes Segment 3 eine Ausdehnung entlang des entsprechenden Mindestabstands von etwa 0,2 mm. Der Außendurchmesser 2Ro der Permanentmagnetanordnung 2 beträgt demnach etwa 0,6 mm. Die einander zugewandten Kanten direkt benachbarter Segmente 3 haben einen Abstand zueinander von z.B. etwa 10 µm.
Außerdem hat jedes Segment 3 eine Magnetisierungsrichtung 4, die in 1 als Pfeile innerhalb der Segmente 3 dargestellt ist. Die Segmente sind z.B. aus NdFeB N52 gebildet. Die Magnetisierungsrichtungen 4 der Segmente 3, die an gegenüberliegenden Bereichen in Bezug auf ein Zentrum der Permanentmagnetanordnung 2 angeordnet sind, sind in entgegengesetzte Richtungen gerichtet. Die vordefinierte Linie 7 verläuft durch das Zentrum der Permanentmagnetanordnung 2 und schneidet sich mit zwei gegenüberliegenden Segmenten 3, wobei die Magnetisierungsrichtungen 4 dieser beiden Segmente 3 parallel zur vordefinierten Linie 7 verlaufen.
Jede Magnetisierungsrichtung 4 schließt einen Winkel mit der vordefinierten Linie 7 ein. Alle diese Winkel sind unterschiedlich zueinander ausgebildet. Zum Beispiel unterscheiden sich die Winkel von jeweils zwei direkt benachbarten Segmenten 3 um 67,5° voneinander. Die Magnetisierungsrichtungen 4 liegen alle in der xy-Ebene.
Bei der Permanentmagnetanordnung in 1 handelt es sich um eine Halbach-Anordnung, die ein magnetisches Quadrupolfeld aufbaut, wobei sich die Größe des Magnetfelds entlang der vordefinierten Linie 7 ändert. Mit anderen Worten: Das Magnetfeld hat einen Magnetfeldgradienten entlang der vordefinierten Linie 7. Jedes der gefangenen Ionen, die entlang der vordefinierten Linie angeordnet sind, sieht also zum Beispiel ein anderes Magnetfeld.
Mit der Permanentmagnetanordnung aus 1 ergibt sich die folgende idealisierte magnetische Flussdichte B: $\vec{B} = 2 B_{R} (\frac{1}{R_{i}} - \frac{1}{R_{0}}) (\begin{matrix} 1 & 0 \\ 0 & - 1 \end{matrix}) (\begin{matrix} x \\ y \end{matrix}) .$
Die Remanenz B_R jedes der Segmente 3 beträgt beispielsweise 1 T. Wie aus dieser idealisierten magnetischen Flussdichte hervorgeht, handelt es sich bei dem Magnetfeld hauptsächlich um ein zweidimensionales Magnetfeld, das in der xy-Ebene konzentriert ist, die eine Magnetfeldebene darstellt.
Die 2 und 3 zeigen die planare Paul-Falle 100 aus 1 in zwei verschiedenen Ansichten. Die planare Paul-Falle 100 umfasst eine Vielzahl von Elektroden 20, 30, 40a, 40b, die so konfiguriert sind, dass sie ein elektrisches Potenzial erzeugen, um die Ionen 6 entlang der vordefinierten 7 einzufangen. Die Elektroden 20, 30, 40a, 40b sind alle auf einer Oberseite 51 eines Substrats 50 angeordnet und liegen alle in einer gemeinsamen Elektrodenebene EP. 2 ist eine Draufsicht auf die Oberseite 51, wobei 3 eine Querschnittsansicht senkrecht zur Oberseite 51 ist.
Die Elektroden 20, 30, 40a, 40b bestehen z. B. aus Au. Das Substrat 50 kann ein Saphirsubstrat sein.
Die Elektroden 20, 30, 40a, 40b sind Teil einer inneren Elektrodenstruktur 32, zweier Zwischenelektrodenstrukturen 22 und zweier äußerer Elektrodenstrukturen 42. Die innere Elektrodenstruktur 32 ist durch eine zusammenhängende, längliche Elektrode 30 gebildet, die sich parallel zu der vordefinierten Linie 7 erstreckt. Die Zwischenelektrodenstrukturen 22 sind jeweils durch eine zusammenhängende, längliche Elektrode 20 gebildet, die sich ebenfalls parallel zur vordefinierten Linie 7 erstreckt. Die innere Elektrodenstruktur 32 ist dabei in einer Querrichtung senkrecht zur Richtung der vordefinierten Linie 7 zwischen den Zwischenelektrodenstrukturen 22 angeordnet. Die Zwischenelektroden 20 sind HF-Elektroden, die im Betrieb mit einer Wechselspannung versorgt werden. Die Innenelektrode 30 ist eine Gleichspannungselektrode, die im Betrieb z.B. auf Masse liegt. Alternativ kann die Innenelektrode 30 auch eine HF-Elektrode sein. Mit Hilfe der Innenelektrode 30 und der Zwischenelektroden 20 wird ein oszillierendes elektrisches Potential erzeugt, das die Ionen insbesondere in radiale Richtungen, d.h. in Richtungen senkrecht zu der vordefinierten Linie 7, einschließt.
Die äußeren Elektrodenstrukturen 42 umfassen jeweils drei Elektroden 40a, 40b. Die innere Elektrodenstruktur 32 und die Zwischenelektrodenstrukturen 22 sind in Querrichtung zwischen den äußeren Elektrodenstrukturen 42 angeordnet. Die Elektroden 40a, 40b der äußeren Elektrodenstrukturen 42 sind in einer Linie hintereinander angeordnet, wobei die Linie parallel zu der vordefinierten Linie 7 verläuft. Endelektroden 40a jeder äußeren Elektrodenstruktur 42 bilden Endkappenelektroden, die im Betrieb z. B. auf dem gleichen elektrischen Potential liegen. Die zwischen den Endelektroden 40a angeordneten Mittelelektroden 40b liegen im Betrieb z. B. auf Masse.
Das elektrische Potential V(x, 0, 0) entlang der x-Achse (vordefinierte Linie 7), das durch die Elektroden 20, 30, 40a, 40b erzeugt wird, ist in dem Graph von 2 dargestellt. Insgesamt ist ein Potentialtopf W gebildet, in dem die Ionen 6 gefangen sind. Die Ionen 6 in dem Potentialtopf W bilden einen linearen Ionenkristall 6a.
Im Diagramm der 2 ist auch die Größe des Magnetfeldes, d. h. die Größe der magnetischen Flussdichte |B(x, 0, 0)|, auf der x-Achse dargestellt, die von der Permanentmagnetanordnung 2 der 1 erzeugt wird.
Wie in 3 am besten zu erkennen ist, ist eine Jochstruktur 60 in das Substrat 50 eingebettet. Die Jochstruktur 60 umfasst zwei Abschnitten, die in einer Richtung parallel zu der vordefinierten Linie 7 voneinander beabstandet sind. Jeder Abschnitt der Jochstruktur 60 ist ein längliches Element und besteht aus einem weichmagnetischen Material. Die Jochstruktur 60 erhöht das Magnetfeld und dessen Gradient entlang der vordefinierten Linie 7.
Bei den in den 1 bis 3 gezeigten Ionen 6 handelt es sich z. B. um Yb¹⁷¹⁺ Ionen. Die Abstände d der direkt benachbarten gefangenen Ionen betragen z. B. etwa 3 µm. Die Entartung des angeregten Quantenzustands wird durch das von der Permanentmagnetanordnung 2 erzeugte Magnetfeld aufgehoben. Die Energie für den π-Übergang vom Grundquantenzustand zum angeregten m=0-Quantenzustand hängt schwach vom Magnetfeld ab, das das Ion erfährt. Ebenso hängen die Energien der σ_± -Übergänge vom Grundquantenzustand zum angeregten m=±1-Quantenzustand vom Magnetfeld ab, das das Ion erfährt. Da die Größe des Magnetfeldes von der Position des Ions 6 entlang der vordefinierten Linie 7 abhängt, sind auch die Energien der Übergänge abhängig von der Position entlang der vordefinierten Linie 7. Zum Beispiel beträgt der Frequenzunterschied für den σ_±-Übergang zwischen je zwei benachbarten Ionen 6 mindestens 1 MHz und höchstens 100 MHz. Darüber hinaus beträgt der Frequenzunterschied der π-Übergänge für jeweils zwei benachbarte Ionen 6 mindestens 0,001 MHz und höchstens 10 MHz.
Außerdem hängen die Gleichgewichtspositionen der Ionen 6 aufgrund der Form des Potentialtopfs W entlang der vordefinierten Linie 7 und des von der Permanentmagnetanordnung 2 bereitgestellten Magnetfelds von ihrem jeweiligen Quantenzustand ab. Dadurch wird eine effektive Spin-Spin-Kopplung zwischen den Ionen 6 aufgrund der Coulomb-Wechselwirkung realisiert. Dadurch können die Quantenzustände der Ionen 6 verschränkt werden.
Insbesondere hängt die Stärke der Kopplung zwischen zwei direkt benachbarten gefangenen Ionen 6 vom Quadrat des Magnetfeldgradienten ab. Außerdem ist die Relaxationszeit, insbesondere die Spin-Relaxationszeit T2, umgekehrt proportional zur Dekohärenzrate. Um Multi-Qubit-Gatter bereitzustellen, muss der Magnetfeldgradient also vergleichsweise hoch sein, um eine große Anzahl von Gattern in einer bestimmten Zeit bereitzustellen. Dies kann mit der hier beschriebenen Permanentmagnetanordnung erreicht werden.
Die 4 und 5 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel der Quantencomputeranordnung 1. Im Gegensatz zur Quantencomputeranordnung der 1 ist die Permanentmagnetanordnung 2 mit einer Vielzahl von permanent magnetisierten Segmenten 3 in dem Substrat 50 angeordnet bzw. eingebettet. Die Permanentmagnetanordnung 2 ist in 4 durch gestrichelte Linien angedeutet.
Die Magnetfeldebene BP, in der das von der Permanentmagnetanordnung 2 aufgebaute Magnetfeld hauptsächlich liegt, befindet sich im Substrat 50. Die vordefinierte Linie 7 ist dementsprechend von der Magnetfeldebene BP versetzt. Da der Abstand der vordefinierten Linie 7 bzw. der Ionen 6 zur Magnetfeldebene BP jedoch gering ist, z. B. weniger als 150 µm, spüren die Ionen 6 immer noch ein ausreichendes Magnetfeld, um richtige Quantencomputeroperationen zu ermöglichen.
6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer planaren Paul-Falle 100, die z. B. mit einer integrierten Permanentmagnetanordnung wie in den 4 und 5 oder mit einer umgebenden Permanentmagnetanordnung wie in 1 verwendet werden kann. Im Gegensatz zu den planaren Paul-Fallen 100 der 2 bis 5 umfasst die planare Paul-Falle 100 der 6 äußere Elektrodenstrukturen 42 mit jeweils fünf parallel zur vordefinierten Linie 7 hintereinander angeordneten Elektroden 40a, 40b, 40c. Jede äußere Elektrodenstruktur 42 umfasst zwei Endelektroden 40a und drei Mittelelektroden 40b, 40c.
Eine dritte Mittelelektrode 40c ist dabei zwischen einer ersten und einer zweiten Mittelelektrode 40b angeordnet. Die dritte Mittelelektrode 40c ist unabhängig von den anderen Mittelelektroden 40b ansteuerbar. Beispielsweise kann die dritte Mittelelektrode 40c im Betrieb auf das gleiche elektrische Potential wie die Endelektroden 40a eingestellt werden, wobei die erste und die zweite Mittelelektrode 40b auf Masse liegen können.
Das Ergebnis ist das elektrische Potential V(x, 0, 0) in x-Richtung, wie in 6 dargestellt. Es werden zwei benachbarte Potentialtöpfe W erzeugt, die in einer Richtung parallel zur vordefinierten Linie 7 hintereinander angeordnet sind. In jedem Potentialtopf W ist ein Ionenkristall 6a, 6b eingeschlossen und aufgenommen, der eine Vielzahl von Ionen 6 enthält, die entlang der vordefinierten Linie 7 aufgereiht sind. Die beiden Potentialtöpfe W sind durch eine Potentialwand voneinander getrennt, die hauptsächlich auf die dritte Mittelelektrode 40c zurückzuführen ist.
Die Ionenkristalle 6a, 6b der 6 können miteinander interagieren, z. B. durch photonische Verbindungen. Alternativ können die Ionenkristalle 6a, 6b auch durch Ionentransport miteinander interagieren. Beispielsweise kann durch Veränderung der Potentiale der Elektroden 40a, 40b, 40c der äußeren Elektrodenstrukturen 42 die Form des Potentials V(x, 0, 0) in x-Richtung verändert werden und ein Ion 6 von einem Ionenkristall 6a zum benachbarten Ionenkristall 6b transportiert werden. Wenn beispielsweise die dritte Mittelelektrode 40c auf das gleiche elektrische Potential wie die erste und die zweite Mittelelektrode 40b eingestellt wird, können die beiden in 6 gezeigten Potentialtöpfe W zu einem größeren Potentialtopf verschmolzen werden und die beiden getrennten Ionenkristalle 6a, 6b verschmelzen dann zu einem großen Ionenkristall 6a.
7 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Quantencomputeranordnung 1, bei der zwei Permanentmagnetanordnungen 2, jeweils in Form einer Halbach-Anordnung, in das Substrat 50 der planaren Paul-Falle 100 eingebettet sind. Die Permanentmagnetanordnungen 2 sind dabei in einer Richtung parallel zu der vordefinierten Linie 7 hintereinander angeordnet, wobei sich die Zentren der Permanentmagnetanordnungen 2 in der Draufsicht auf die Oberseite 51 mit der vordefinierten Linie 7 überlappen. Die beiden Permanentmagnetanordnungen 2 sind so angeordnet, dass jede von ihnen eindeutig einem Potentialtopf W und einem jeweiligen Ionenkristall 6a, 6b zugeordnet ist.
In dem Ausführungsbeispiel der 8 umgibt die Permanentmagnetanordnung 2 eine planare Paul-Falle 100 in einer polygonalen Kontur. Jedes Segment 3 hat die Form eines Quadrats. Benachbarte Segmente 3 sind gegeneinander verdreht.
Wie in 8 weiter zu sehen ist, ist die Paul-Falle 100 in einer Kammer 10 angeordnet und die Kammer 10 ist von der Permanentmagnetanordnung 2 umgeben. Bei der Kammer 10 handelt es sich z. B. um eine Ultrahochvakuumkammer.
Ein Ausführungsbeispiel eines Quantencomputers 8 ist in 9 dargestellt. Der Quantencomputer 8 umfasst eine Quantencomputeranordnung 1 gemäß eines der hier beschriebenen Ausführungsbeispiele. Die planare Paul-Falle 100 ist über die Kammer 10 durch eine Vielzahl von Anschlüssen 11 mit externen Komponenten des Quantencomputers 8 verbunden. Beispielsweise verbinden die Verbindungen 11 die planare Paul-Falle 100 mit einer externen Steuerelektronik 12 und einem klassischen Computer 13.
Die Quantencomputeranordnung 1 ist dazu eingerichtet, Ionen einzufangen und gefangene Ionen zu manipulieren und zu messen. Zu diesem Zweck kann die Quantencomputeranordnung 1 neben der Permanentmagnetanordnung 2 und allen Komponenten der planaren Paul-Falle 100 Lichtleiter und/oder interne Elektronik mit elektronischen Bauelementen umfassen. Die elektronischen Bauelemente können Schaltkreise, integrierte Elektronik, Stromversorgung und/oder Detektoren, wie Photonendetektoren und/oder Ladungsdetektoren, Steuerungen usw. umfassen. Beispielhaft ist die interne Elektronik für die Vorverarbeitung vorgesehen. Diese Komponenten ermöglichen zum Beispiel die Messung des jeweiligen Zustands des Ions und die Durchführung von Gatteroperationen an dem Ion. Somit ist die Quantencomputeranordnung 1 so konfiguriert, dass sie die Ionen einfängt und Operationen und Messungen an den eingefangenen Ionen durchführt.
Die Paul-Falle 100 ist in einer Kammer 10 montiert, wobei die Kammer 10 eine Ultrahochvakuumkammer, eine Extremhochvakuumkammer und/oder ein Kryostat sein kann. Es ist möglich, dass die Permanentmagnetanordnung 2 außerhalb der Kammer 10 angeordnet ist. In diesem Fall umgibt die Permanentmagnetanordnung 2 die Kammer 10. Alternativ ist es möglich, dass die Permanentmagnetanordnung 2 innerhalb der Kammer 10 angeordnet ist (hier nicht dargestellt).
Die Quantencomputeranordnung 1, insbesondere die Paul-Falle 100, ist über die Anschlüsse 11 mit der externen Elektronik 12 verbunden. Die externe Elektronik 12 kann zumindest teilweise innerhalb und teilweise außerhalb der Kammer 10 angeordnet sein. Ferner ist die externe Elektronik 12 mit dem klassischen Computer 13 verbunden.
Die externe Elektronik 12 umfasst beispielsweise Analog-Digital-Wandler sowie Signalgeneratoren wie Hochfrequenzgeneratoren, Mikrowellensignalgeneratoren, Niederfrequenzsignalgeneratoren und/oder Gleichstromsignalgeneratoren. Außerdem kann die externe Elektronik 12 eine Transistor-Transistor-Logik (TTL) umfassen.
Darüber hinaus kann die externe Elektronik 12 auch mindestens ein laserbasiertes System umfassen, das so konfiguriert ist, dass es die eingefangenen Ionen kühlt. Ferner kann das laserbasierte System so konfiguriert sein, dass es einen bestimmten Zustand der eingefangenen Ionen anregt und/oder einen bestimmten Zustand der Ionen ausliest.
Der klassische Computer 13 ist beispielsweise so konfiguriert, dass er digitale Signale liefert und empfängt.
Die digitalen Signale entsprechen Steuersignalen, die für Operationen an den Qubits/Ionen verwendet werden, sowie Messsignalen, die einem Zustand der Qubits entsprechen.
Die externe Elektronik 12 ist u. a. so konfiguriert, dass sie die digitalen Signale in analoge Signale umwandelt und umgekehrt. Daher ist die externe Elektronik 12 so konfiguriert, dass sie die umgewandelten analogen Signale zur Manipulation der Ionen (Qubits) an die Quantencomputeranordnung 1 liefert. Ferner ist die externe Elektronik 12 so konfiguriert, dass sie gemessene analoge Signale von der Quantencomputeranordnung 1 an den klassischen Computer 13 weiterleitet oder solche Signale verarbeitet, um direkt ein von der Steuerelektronik 12 erzeugtes Antwortsignal auszulösen.
Der klassische Computer 13 ist beispielhaft so konfiguriert, dass er mit einem bestimmten Algorithmus, d. h. einer vorgegebenen Quantenberechnung zur Lösung eines bestimmten Problems, versorgt wird. Der klassische Computer 13 ist dann so konfiguriert, dass er einen kompilierten Code, der dem Algorithmus entspricht, in Befehle für die Quantencomputeranordnung 1 umwandelt. Die Befehle werden anschließend über die externe Steuerelektronik 12 an die Quantencomputeranordnung 1 weitergeleitet. Außerdem ist der klassische Computer 13 so konfiguriert, dass er ein gemessenes Ergebnis des bestimmten Algorithmus empfängt.
Beispielsweise sind alle Elemente des Quantencomputers 8, insbesondere alle elektronischen Elemente des Quantencomputers 8, durch eine Atomuhrreferenz synchronisiert.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt.. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Ansprüchen einschließt, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht ausdrücklich in den Ansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Bezugszeichenliste:

1: Quantencomputeranordnung
2: Permanentmagnetanordnung
3: Segment
4: Magnetisierungsrichtung
6: Ion
6a, 6b: Ionenkristall
7: vordefinierte Linie
8: Quantencomputer
10: Kammer
11: Verbindung
12: Steuerelektronik
13: klassischer Computer
20: Elektrode
22: innere Elektrodenstruktur
30: Elektrode
32: Zwischenelektrodenstruktur
40a,b,: Elektrode
42: äußere Elektrodenstruktur
50: Substrat
51: Oberseite
60: Jochstruktur
100: Paul-Falle
Ri: Innenradius
Ro: Außenradius
BP: Magnetfeldebene
EP: Elektrodenebene
W: Potentialtopf
V(x,y,z): elektrisches Potential
B(x,y,z): magnetische Flussdichte

Claims

Quantencomputeranordnung (1), umfassend - eine Permanentmagnetanordnung (2), - ein Substrat (50), wobei - die Quantencomputeranordnung (1) so konfiguriert ist, dass sie eine planare Paul-Falle (100) zum Einfangen mindestens eines Ionenkristalls (6a, 6b) mit mehreren entlang einer vordefinierten Linie (7) aufgereihten Ionen (6) realisiert, wobei - Komponenten der Quantencomputeranordnung (1), die Elektroden (20, 30, 40a, 40b) der planaren Paul-Falle (100) zur Erzeugung eines elektrischen Einfangpotentials bilden, auf einer Oberseite (51) des Substrats (50) angeordnet sind, - die vordefinierte Linie(7) sich oberhalb der Oberseite (51) befindet, - die Permanentmagnetanordnung (2) ein Magnetfeld aufbaut, wobei sich die Größe des Magnetfeldes entlang der vordefinierten Linie (7) ändert, - wobei die Permanentmagnetanordnung (2) die planare Paul-Falle (100) ringförmig oder in Form einer Polygonkontur umgibt.
Quantencomputeranordnung (1) nach Anspruch 1, wobei - die Permanentmagnetanordnung (2) eine Vielzahl von permanent magnetisierten Segmenten (3) umfasst, - jedes Segment (3) eine Magnetisierungsrichtung (4) hat, - die Segmente (3) in einer Halbach-Anordnung angeordnet sind.
Quantencomputeranordnung (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei - alle Elektroden (20, 30, 40a, 40b) der planaren Paul-Falle (100) in einer gemeinsamen Elektrodenebene (EP) angeordnet sind.
Quantencomputeranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - zumindest ein Teil der Permanentmagnetanordnung (2) im Substrat (50) angeordnet ist.
Quantencomputeranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend - eine Jochstruktur (60) zur Erhöhung des von der Permanentmagnetanordnung (2) aufgebauten Magnetfeldes und/oder der Änderung der Größe des von der Permanentmagnetanordnung (2) aufgebauten Magnetfeldes entlang der vordefinierten Linie (7).
Quantencomputeranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - die Jochstruktur (60) in dem Substrat (50) angeordnet ist.
Quantencomputeranordnung (1) nach Anspruch 5 oder 6, wobei - die Jochstruktur (60) ein weichmagnetisches Material aufweist.
Quantencomputeranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - die planare Paul-Falle (100) eine segmentierte planare Paul-Falle (100) ist, die dazu eingerichtet ist, mehrere elektrische Potentialtöpfe (W) zu erzeugen, und jeder Potentialtopf (W) dazu eingerichtet ist, einen Ionenkristall (6a, 6b) aufzunehmen, der mehrere entlang einer vordefinierten Linie (7) aufgereihte Ionen (6) aufweist.
Quantencomputeranordnung (1) nach Anspruch 8, wobei - die Quantencomputeranordnung (1) so konfiguriert ist, dass sie eine Wechselwirkung zwischen den Ionenkristallen (6a, 6b) durch Ionentransport und/oder photonische Verbindungen ermöglicht.
Quantencomputeranordnung (1) nach Anspruch 8 oder 9, wobei die segmentierte planare Paul-Falle (100) dazu eingerichtet ist - zwei benachbarte elektrische Potentialtöpfe (W) zu einem größeren elektrischen Potentialtopf (W) zu vereinen und/oder - einen elektrischen Potentialtop (W) in zwei benachbarte kleinere elektrische Potentialtöpfe (W) zu unterteilen.
Quantencomputeranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - die planare Paul-Falle (100) eine innere Elektrodenstruktur (32), zwei äußere Elektrodenstrukturen (42) und zwei Zwischenelektrodenstrukturen (22) umfasst, - die innere Elektrodenstruktur (32) zwischen den Zwischenelektrodenstrukturen (22) angeordnet ist und die Zwischenelektrodenstrukturen (22) zwischen den äußeren Elektrodenstrukturen (42) angeordnet sind, - die Elektrodenstrukturen (22, 32, 42) sich parallel zu der vordefinierten Linie (7) erstrecken, - die äußeren Elektrodenstrukturen (42) jeweils mindestens drei Elektroden (40a, 40b) umfassen, nämlich zwei Endelektroden (40a) und mindestens eine Mittelelektrode (40b), die in einer Richtung parallel zu der vordefinierten Linie (7) zwischen den Endelektroden (40a) angeordnet ist, - die innere Elektrodenstruktur (32) mindestens eine Elektrode (30) und die Zwischenelektrodenstrukturen (22) jeweils mindestens eine Elektrode (20) umfassen, - die Zwischenelektrodenstrukturen (22) HF-Elektrodenstrukturen zur Versorgung mit Wechselspannung sind, - in jeder äußeren Elektrodenstruktur (42) die mindestens eine Mittelelektrode (40b) unabhängig von den Endelektroden (40a) steuerbar ist, um mindestens einen elektrischen Potentialtopf (W) zur Aufnahme eines Ionenkristalls (6a) mit mehreren entlang der vordefinierten Linie (7) aufgereihten Ionen (6) zu erzeugen.
Quantencomputeranordnung (1) nach Anspruch 11 in Kombination mit Anspruch 9 oder 10, wobei - jede äußere Elektrodenstruktur (42) mindestens fünf Elektroden (40a, 40b, 40c) umfasst, - in jeder äußeren Elektrodenstruktur (42) mindestens eine erste Mittelelektrode (40b) und eine zweite Mittelelektrode (40b) unabhängig von einer dritten Mittelelektrode (40c), die zwischen der ersten und der zweiten Mittelelektrode (40b) angeordnet ist, steuerbar sind, um mindestens zwei elektrische Potentialtöpfe (W) zu erzeugen, die in einer Richtung parallel zu der vordefinierten Linie (7) hintereinander angeordnet sind, wobei jeder Potentialtopf (W) dazu eingerichtet ist, einen Ionenkristall (6a, 6b) aufzunehmen.
Quantencomputeranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend - mindestens zwei Permanentmagnetanordnungen (2), wobei - die Permanentmagnetanordnungen (2) so eingerichtet sind, dass sie jeweils ein Magnetfeld erzeugen.
Quantencomputeranordnung (1) nach Anspruch 13 in Abhängigkeit von Anspruch 8, wobei - jedem Ionenkristall (6a, 6b) eine individuelle Permanentmagnetanordnung (2) zugeordnet ist, - jede Permanentmagnetanordnung (2) so eingerichtet ist, dass sich eine Größe ihres Magnetfeldes entlang der vordefinierten Linie (7) des zugeordneten Ionenkristalls (6a, 6b) ändert.
Quantencomputer (8), umfassend eine Quantencomputeranordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, der zur Durchführung von Quantenberechnungen eingerichtet ist.
Quantencomputer (8) nach Anspruch 15, der ferner ein laserbasiertes Kühl- und/oder Auslesesystem umfasst.