Ionen-Qubits

Die Quanteninformationstechnologie revolutioniert unser Verständnis von Informationsverarbeitung. Anders als in der klassischen Informationstheorie, in der Bits die fundamentale Einheit darstellen, arbeiten Quantencomputer mit Qubits – quantenmechanischen Zuständen, die eine völlig neue Art des Rechnens ermöglichen. Diese Technologie eröffnet nicht nur neue Rechenparadigmen, sondern verändert auch unsere Perspektive auf Kommunikation, Sicherheit und Simulation komplexer Systeme.

Was sind Qubits?

Ein Qubit – die kleinste Informationseinheit in einem Quantencomputer – unterscheidet sich grundlegend vom klassischen Bit. Während ein Bit nur zwei diskrete Zustände kennt, nämlich 0 oder 1, kann sich ein Qubit in einer Überlagerung (Superposition) beider Zustände gleichzeitig befinden. Mathematisch wird ein Qubit als lineare Kombination zweier Basiszustände dargestellt:

|\psi\rangle = \alpha |0\rangle + \beta |1\rangle

Dabei sind \alpha und \beta komplexe Wahrscheinlichkeitsamplituden, für die gilt:

|\alpha|^2 + |\beta|^2 = 1

Diese Eigenschaft ermöglicht eine exponentielle Parallelisierung von Rechenoperationen, was die immense Rechenleistung eines Quantencomputers erklärt. Erst durch Messung kollabiert der Zustand in eine der beiden Basiszustände, was die probabilistische Natur der Quantenmechanik widerspiegelt.

Ein weiteres charakteristisches Merkmal von Qubits ist die Verschränkung (Entanglement). Verschränkte Qubits befinden sich in einem gemeinsamen Zustand, der sich nicht mehr als Produkt der Einzelzustände beschreiben lässt. Diese nichtklassische Korrelation ist die Grundlage vieler Quantenalgorithmen und Quantenkommunikationsprotokolle.

Warum Quantentechnologie?

Die Quantentechnologie ist nicht nur ein intellektuelles Unterfangen, sondern eine technologische Notwendigkeit. Klassische Computer stoßen zunehmend an physikalische und technologische Grenzen – Stichworte sind Miniaturisierung, Energieeffizienz und Rechenkomplexität.

Quantentechnologie verspricht:

• Exponentielle Beschleunigung bestimmter Algorithmen, etwa durch den Shor-Algorithmus zur Faktorisierung großer Zahlen oder den Grover-Algorithmus zur Datenbanksuche.
• Simulationsfähigkeit komplexer Quanten- und Molekülsysteme, wie sie in der Materialforschung und der Chemie entscheidend sind.
• Sichere Quantenkommunikation, die auf den Prinzipien der Quantenkryptographie beruht, insbesondere dem No-Cloning-Theorem und der Quantenverschränkung.

Diese Anwendungen machen deutlich, dass die Quanteninformationstechnologie mehr ist als ein Hype – sie ist ein disruptives Paradigma mit weitreichenden Konsequenzen für nahezu alle wissenschaftlichen und industriellen Bereiche.

Übersicht über Qubit-Typen: Photonen, Supraleiter, Spins – und Ionen

Die Umsetzung eines Qubits ist kein theoretisches Konstrukt, sondern erfordert eine konkrete physikalische Realisierung. In den letzten Jahrzehnten haben sich verschiedene Ansätze etabliert, die jeweils spezifische Vor- und Nachteile aufweisen. Ein Überblick:

Photonenbasierte Qubits

Photonen als lichtbasierte Träger von Quanteninformation sind insbesondere für die Quantenkommunikation von zentraler Bedeutung. Ihre Zustände lassen sich über Polarisation oder Zeit-Bin-Encoding definieren. Sie sind resistent gegenüber Dekohärenz und ideal für Übertragungen über große Distanzen – beispielsweise in Quanteninternet-Architekturen.

Supraleitende Qubits

Diese Qubits basieren auf supraleitenden Schaltkreisen, die bei tiefen Temperaturen betrieben werden. Transmon-Qubits – eine gängige Variante – nutzen Josephson-Kontakte und Mikrowellenresonatoren. Sie lassen sich gut integrieren und skalieren, weisen jedoch vergleichsweise kurze Kohärenzzeiten auf.

Spins in Halbleitern

Spin-Qubits verwenden den quantenmechanischen Eigendrehimpuls (Spin) von Elektronen oder Atomkernen in Halbleiterstrukturen. Ihre Miniaturisierung und Kompatibilität mit bestehenden CMOS-Technologien machen sie attraktiv für die Integration in konventionelle Elektronik.

Ionen-Qubits

Die in Ionenfallen gespeicherten Atome nutzen diskrete Energiezustände – typischerweise Hyperfeinzustände – zur Repräsentation von Qubit-Zuständen. Ihre extrem lange Kohärenzzeit, hohe Gate-Fidelität und präzise Steuerbarkeit machen sie zu einem der führenden Ansätze im Bereich skalierbarer Quantencomputer. Sie sind allerdings technisch komplexer in der Handhabung und stellen besondere Anforderungen an Lasertechnologie und Vakuumumgebung.

Physikalische Grundlagen von Ionen-Qubits

Die physikalische Realisierung von Qubits mit Ionen zählt zu den präzisesten und robustesten Ansätzen innerhalb der Quanteninformationstechnologie. Eingefangene, elektrisch geladene Atome – also Ionen – lassen sich in wohldefinierten quantenmechanischen Zuständen speichern, manipulieren und auslesen. Ihre langen Kohärenzzeiten und die exakte Kontrolle durch Laserinteraktion machen sie zu einer bevorzugten Wahl für viele Quantenexperimente und -anwendungen.

Definition: Was sind Ionen-Qubits?

Ionen-Qubits sind zwei definierte Energiezustände eines einzelnen geladenen Atoms, das in einer elektromagnetischen Falle eingefangen wurde. Typischerweise werden diese Zustände aus dem Hyperfein- oder elektronischen Spektrum des Ions ausgewählt. Die quantenmechanische Natur erlaubt es, das Ion in einer Überlagerung dieser beiden Zustände zu präparieren:

|\psi\rangle = \alpha |g\rangle + \beta |e\rangle

Hierbei steht |g\rangle für den Grundzustand und |e\rangle für einen angeregten Zustand. Die komplexen Amplituden \alpha und \beta erfüllen wiederum die Normierungsbedingung:

|\alpha|^2 + |\beta|^2 = 1

Der kontrollierte Übergang zwischen diesen Zuständen erfolgt über präzise Laserpulse, wodurch sowohl Einzelqubit-Operationen als auch Zwei-Qubit-Gatter realisiert werden können.

Eingefangene Ionen: Paul- und Penning-Fallen

Um Ionen als Qubits nutzen zu können, müssen sie im Raum stabilisiert werden. Dies geschieht mithilfe elektromagnetischer Ionenfallen:

Paul-Falle

Die Paul-Falle – benannt nach Wolfgang Pauli – nutzt oszillierende elektrische Felder, um Ionen in einer sogenannten Radiofrequenz-Quadrupolfalle zu speichern. Das erzeugte Pseudopotential führt zu einer effektiven Konfinierung des Ions entlang aller Raumachsen.

Penning-Falle

Die Penning-Falle - benannt nach Frans Michel Penning - verwendet hingegen eine Kombination aus statischen elektrischen Feldern und einem starken Magnetfeld. Diese Konstruktion eignet sich insbesondere für Experimente mit vielen Ionen und hoher Stabilität.

Beide Fallenarten haben spezifische Vorteile, wobei die Paul-Falle aufgrund ihrer Kompaktheit und Flexibilität besonders häufig in Ionen-Qubit-Systemen zum Einsatz kommt.

Hyperfein- und elektronischer Zustand als Qubit-Zustände

Die Wahl der Zustände für das Qubit ist entscheidend für Kohärenz und Manipulierbarkeit. Zwei zentrale Optionen stehen zur Verfügung:

Hyperfeinzustände

Hierbei handelt es sich um Energieniveaus, die durch Wechselwirkungen zwischen dem Kernspin und dem Elektronenspin entstehen. Hyperfeinzustände zeichnen sich durch ihre hohe Stabilität und geringe Anfälligkeit gegenüber externen Störungen aus. Ein bekanntes Beispiel ist das ^9\text{Be}^+-Ion, dessen Hyperfeinübergänge typischerweise als Qubit genutzt werden.

Elektronische Zustände

Diese basieren auf unterschiedlichen Konfigurationen der äußeren Elektronenhülle. Sie bieten häufig größere Energiedifferenzen und damit stärkere optische Übergänge, sind jedoch oft empfindlicher gegenüber Störungen.

In der Praxis erfolgt häufig eine Kombination: Die Speicherung der Quanteninformation in stabilen Hyperfeinzuständen und die Manipulation über elektronische Übergänge.

Die Rolle von Lasern: Kühlung, Anregung und Manipulation

Laser sind das zentrale Werkzeug zur Kontrolle von Ionen-Qubits. Sie übernehmen mehrere entscheidende Aufgaben:

Laserkühlung

Da thermische Bewegung die Kohärenz stört, müssen Ionen nahe den quantenmechanischen Grundzustand ihrer Bewegung gebracht werden. Dies geschieht durch Doppler-Kühlung sowie – für noch tiefere Temperaturen – durch Seitenbandkühlung. Ziel ist die Erreichung des sogenannten „Lamb-Dicke-Regimes“.

Quantenlogikgatter

Gezielte Laserpulse ermöglichen Einzelqubit-Operationen (Rotationen auf der Blochkugel) sowie Zwei-Qubit-Gatter wie das Mølmer–Sørensen-Gatter. Diese Operationen sind das Rückgrat der Quantenlogik:

Ein typischer Rotationsoperator für ein einzelnes Qubit ist:

R(\theta, \phi) = \cos\left(\frac{\theta}{2}\right)I - i\sin\left(\frac{\theta}{2}\right)(\cos\phi,X + \sin\phi,Y)

Fluoreszenzbasierte Zustandsmessung

Durch das gezielte Anregen des Ions lässt sich über die emittierte Fluoreszenz der Qubit-Zustand mit hoher Genauigkeit bestimmen – eine sogenannte „projektive Messung“.

Quantenkohärenz und Dekohärenz bei Ionen

Die Kohärenz eines Qubits beschreibt, wie lange es in einem überlagerten Zustand verbleiben kann, bevor es durch externe Einflüsse gestört wird. Bei Ionen-Qubits erreicht die Kohärenzzeit mehrere Sekunden bis Minuten – ein Spitzenwert im Vergleich zu anderen Plattformen.

Quellen der Dekohärenz

• Magnetfeldschwankungen
• Laserphasenrauschen
• Fluktuationen im elektrischen Trap-Potential
• Photonenstreuung

Gegenmaßnahmen

• Einsatz von magnetfeldunabhängigen („clock transition“) Hyperfeinübergängen
• Verwendung stabilisierter Lasersysteme
• Optimierte Fallen-Geometrien
• Dynamische Dekohärenzunterdrückung durch Pulssequenzen

Die hohe Kohärenz ist ein entscheidender Grund, warum Ionen-Qubits als besonders vielversprechend für universelle, skalierbare Quantencomputer gelten.

Technologische Realisierung

Die experimentelle Umsetzung von Ionen-Qubits erfordert hochentwickelte Technologien zur präzisen Kontrolle einzelner Ionen, ihrer Zustände und Wechselwirkungen. Neben einer stabilen Ionenfalle sind exakte Lasersysteme, ausgeklügelte Kühlstrategien und Fehlerkorrekturprotokolle essenziell. Die technologische Basis hat in den letzten Jahren gewaltige Fortschritte gemacht und bildet das Rückgrat moderner Quantenprozessoren auf Ionenbasis.

Trapping-Technologien: Linearfallen vs. Mikrochip-Fallen

Linearfallen

Die klassische Methode zur Speicherung von Ionen ist die lineare Paul-Falle. Hier werden Ionen in einer linearen Kette angeordnet, die durch eine Kombination aus Radiofrequenz- und statischen Feldern stabilisiert wird. Durch gezielte Modulation der elektrischen Potenziale können Ionen verschoben, separiert oder zusammengeführt werden. Solche Fallen bestehen meist aus makroskopischen Elektroden, die millimetergenau justiert werden müssen.

Mikrochip-Fallen (Surface Traps)

Ein bedeutender Fortschritt ist die Miniaturisierung der Ionenfallen auf Mikrochip-Ebene. Diese sogenannten „Surface-Electrode Traps“ integrieren Elektrodenstrukturen auf einem planaren Substrat und ermöglichen die Herstellung skalierbarer Arrays. Vorteile sind:

• Kompaktheit
• Parallele Kontrolle vieler Ionen
• Kompatibilität mit Halbleitertechnologie

Mikrochip-Fallen gelten als Schlüsselkomponente für die Integration von Ionen-Qubits in größere Quantenarchitekturen.

Laserbasierte Steuerung von Ein- und Zwei-Qubit-Gattern

Einzelqubit-Gatter

Durch resonante Laserpulse werden gezielte Übergänge zwischen den beiden Qubit-Zuständen induziert. Die Rotation eines Qubits um eine beliebige Achse der Blochkugel lässt sich durch passende Wahl von Pulsdauer \tau, Intensität und Phasenlage steuern. Die Rabi-Oszillation beschreibt die Populationsänderung im Qubit-Zustand:

P_e(t) = \sin^2\left( \frac{\Omega t}{2} \right)

mit \Omega als Rabi-Frequenz.

Zwei-Qubit-Gatter

Mehrqubit-Operationen nutzen kollektive Schwingungsmoden der Ionen in der Falle. Das bekannteste Beispiel ist das Mølmer–Sørensen-Gatter, bei dem zwei Qubits durch simultane Wechselwirkung mit einem Vibrationsmodus gekoppelt werden. Das resultierende Gatter entspricht einer kontrollierten Rotation in der X-Y-Ebene:

U_{MS}(\theta) = \exp\left( -i\frac{\theta}{4} (X_1 X_2 + Y_1 Y_2) \right)

Diese Operation ist universell und erlaubt die Erzeugung von Verschränkung mit hoher Genauigkeit.

Fehlerkorrektur-Ansätze bei Ionen-Qubits

Notwendigkeit der Fehlerkorrektur

Trotz hoher Gate-Fidelität (über 99,9 %) sind Ionen-Qubits nicht frei von Fehlern. Für skalierbare Quantenrechner ist daher ein systematischer Umgang mit Fehlern unabdingbar. Fehler treten in Form von:

• Phasenfehlern
• Bitflip-Fehlern
• Leckagefehlern (Zustände außerhalb des Rechenraums)

Quantum Error Correction Codes

Ein vielversprechender Ansatz ist der [[7,1,3]]-Steane-Code, der ein logisches Qubit auf sieben physikalische Qubits verteilt und sowohl Bit- als auch Phasenfehler korrigieren kann. Auch der Surface-Code – ursprünglich für supraleitende Qubits entwickelt – wird für Ionen implementiert, insbesondere in modularen Architekturen.

Realisierung mit Ionen

Ionen-Qubits eignen sich aufgrund ihrer hohen Messgenauigkeit und langen Kohärenzzeit besonders gut für Fehlerkorrektur. Erste experimentelle Demonstrationen zeigen vollständige Fehlerdiagnostik und Korrektur mit bis zu 15 Ionen.

Kühlverfahren: Doppler-Kühlung, Seitenbandkühlung

Doppler-Kühlung

Dieser Prozess basiert auf dem Prinzip der Impulsübertragung durch resonante Lichtabsorption. Das Ion absorbiert Photonen aus einem Laserstrahl und wird dabei in Bewegungsrichtung abgebremst. Das Limit der erreichbaren Temperatur ist das sogenannte Doppler-Limit:

T_D = \frac{\hbar \gamma}{2 k_B}

mit \gamma als natürliche Linienbreite und k_B als Boltzmann-Konstante.

Seitenbandkühlung (Resolved Sideband Cooling)

Für noch niedrigere Temperaturen wird die Seitenbandkühlung verwendet, bei der gezielt das erste rote Seitenband eines quantisierten Schwingungsmodus angeregt wird. Dies führt zu einer Abnahme der quantenmechanischen Oszillationszahl n:

|g, n\rangle \rightarrow |e, n-1\rangle

und anschließend durch spontane Emission zurück zu |g, n-1\rangle. Mehrere Zyklen führen zum Erreichen des quantenmechanischen Grundzustands der Bewegung.

Skalierungsstrategien: Modulare Architekturen und Verbindung via Photonen

Herausforderungen der Skalierung

Die lineare Anordnung von Ionen stößt bei einer großen Anzahl an Qubits an physikalische und technische Grenzen, etwa durch gegenseitige Coulomb-Abstoßung und komplexe Modenkopplung.

Modulare Quantencomputer

Eine vielversprechende Lösung ist die Aufteilung des Systems in Module – sogenannte „Qubit-Zellen“ oder „Ion-Register“ – die lokal stark gekoppelt und global über Photonen verschaltet sind. Diese Architektur wird als „quantennetzwerkbasierter Quantencomputer“ bezeichnet.

Photonenvermittelter Qubit-Link

Durch spontane oder stimulierte Emission von Photonen, die mit bestimmten Qubit-Zuständen korreliert sind, lassen sich Ionen in verschiedenen Modulen miteinander verschränken. Eine typische Prozedur involviert Bell-Zustände wie:

|\Phi^+\rangle = \frac{1}{\sqrt{2}}(|00\rangle + |11\rangle)

Solche verschränkten Zustände bilden die Grundlage für Gate-Operationen zwischen Modulen und skalierbare Quantenkommunikation.

Vorteile und Herausforderungen

Ionen-Qubits gelten als eine der führenden Technologien für den Aufbau universeller Quantencomputer. Ihre physikalischen Eigenschaften bieten beachtliche Vorteile hinsichtlich Kohärenz, Steuerbarkeit und Fehlertoleranz. Gleichzeitig existieren technologische und konzeptionelle Herausforderungen, insbesondere im Hinblick auf Skalierbarkeit und Parallelisierbarkeit. In diesem Abschnitt werden zentrale Stärken und Schwächen beleuchtet – sowohl intrinsisch als auch im Vergleich zu alternativen Qubit-Plattformen.

Hohe Kohärenzzeiten und Präzision

Kohärenzzeit als Qualitätsmerkmal

Ein Hauptvorteil von Ionen-Qubits ist ihre außerordentlich lange Kohärenzzeit. Diese kann – bei Verwendung geeigneter Hyperfeinzustände – mehrere Sekunden bis Minuten betragen. Dadurch ist es möglich, komplexe Quantenalgorithmen mit vielen Gatteroperationen auszuführen, bevor ein signifikanter Informationsverlust durch Dekohärenz auftritt.

In konkreten Experimenten wurden kohärente Rabi-Oszillationen über Zeiträume von mehreren Millionen Schwingungszyklen nachgewiesen:

|\psi(t)\rangle = \cos\left( \frac{\Omega t}{2} \right) |g\rangle - i\sin\left( \frac{\Omega t}{2} \right) |e\rangle

Diese Stabilität prädestiniert Ionen-Qubits für hochpräzise Quantenlogik.

Gate-Fidelität

Ionenbasierte Quantenoperationen erreichen eine extrem hohe Genauigkeit. Gate-Fidelitäten über 99,9 % für Ein-Qubit-Gatter und über 99 % für Zwei-Qubit-Gatter wurden bereits experimentell demonstriert. Diese Werte liegen über den Schwellenwerten für die Anwendung effizienter Quantenfehlerkorrektur, etwa im Surface-Code.

Fehleranfälligkeit durch Laserstabilität und Umgebungseinflüsse

Laserinstabilität

Da die Steuerung von Ionen-Qubits auf präzise Laserpulse angewiesen ist, führen Instabilitäten bei Frequenz, Intensität oder Phasenlage zu Operationseinbußen. Besonders kritisch sind:

• Phasenrauschen
• Frequenzdrift
• Fluktuationen im Strahlprofil

Diese Probleme lassen sich durch frequenzstabilisierte Lasersysteme mit Referenzkavitäten und modulierte Lasersperrlinien teilweise kompensieren.

Umgebungsrauschen

Äußere Felder – etwa Magnetfeldfluktuationen oder elektrische Störimpulse – können die Energieeigenzustände des Ions verschieben (Stark- bzw. Zeeman-Effekt) und damit die Kohärenz gefährden. Die Verwendung sogenannter „magnetfeldunempfindlicher“ Übergänge („clock transitions“) ist eine wichtige Gegenmaßnahme.

Zusätzlich kann die Schwebeladung auf Elektrodenflächen zu unerwünschten Mikrobewegungen führen, die sich negativ auf Kühlung und Gate-Fidelität auswirken.

Herausforderungen beim Upscaling und bei der Parallelisierung

Limitierte Ionenanzahl pro Falle

Ein grundlegendes Problem besteht darin, dass mit zunehmender Anzahl an Ionen in einer linearen Kette:

• Die Modenspektren dichter und schwerer kontrollierbar werden
• Die Laserkontrolle räumlich aufwändiger wird
• Die Wechselwirkungen zwischen Qubits abnehmen

Der deterministische Transport einzelner Ionen zwischen verschiedenen Speicher- und Rechenzonen (sogenannte „Quantum Charge-Coupled Devices“, QCCD) ist eine elegante, aber technisch sehr anspruchsvolle Lösung.

Parallelisierung von Gattern

Da viele Steueroperationen sequentiell mit eng fokussierten Laserpulsen durchgeführt werden, ist die Parallelisierung von Gattern auf verschiedenen Ionen technologisch aufwendig. Die Lösung liegt unter anderem in:

• Mikrochip-Fallen mit multiplen Zonen
• Optischen Multiplexern
• Globalen Gattern über kollektive Moden

Auch die Entwicklung photonisch vermittelter Modularsysteme ist ein zentraler Weg zur Skalierung.

Vergleich mit anderen Qubit-Technologien (Supraleiter, Spins, Photonen)

Die Tabelle zeigt, dass Ionen-Qubits in puncto Stabilität und Präzision führend sind. Supraleitende Qubits dagegen punkten durch gute Integration und Geschwindigkeit, während photonische Systeme vor allem im Bereich der Quantenkommunikation brillieren. Die Zukunft liegt womöglich in hybriden Architekturen, die die Stärken jeder Technologie kombinieren.

Anwendungen und aktuelle Forschungsfelder

Die technologische Reife von Ionen-Qubits ermöglicht längst nicht mehr nur Proof-of-Concept-Experimente, sondern eröffnet reale Anwendungen in Rechenoperationen, Kommunikation, Metrologie und Simulation. Im Zentrum steht dabei nicht nur der universelle Quantencomputer, sondern auch spezialisierte Systeme zur Lösung konkreter physikalischer und chemischer Probleme. Parallel dazu entstehen neue Forschungsfelder, die Ionen-Qubits in hybride Quantenarchitekturen und skalierbare Netzwerke integrieren.

Quantencomputer mit Ionen-Qubits: Algorithmen und Leistungsnachweise

Experimentelle Plattformen

Ionen-Qubit-basierte Quantencomputer bestehen typischerweise aus linearen oder modularen Ionenfallen mit Lasersystemen, die präzise Gatteroperationen ausführen. Führende Plattformen verwenden zwischen 5 und 32 Ionen mit hoher Kohärenz und Gate-Fidelität.

Ein Beispiel ist der Quantenprozessor Harmony von IonQ mit bis zu 20 logischen Qubits, auf dem bereits reale Quantenalgorithmen ausgeführt wurden.

Quantenalgorithmen

Typische auf Ionen-Qubits implementierte Algorithmen sind:

• Grover-Suche für unstrukturierte Datenbanken
• Shor-Algorithmus zur Faktorisierung kleiner Zahlen
• Variational Quantum Eigensolver (VQE) für Energiespektren
• Quantum Approximate Optimization Algorithm (QAOA) für kombinatorische Optimierung

Diese Algorithmen zeigen, dass Ionenplattformen bereits jetzt die Schwelle zum praktischen Quantencomputing überschreiten.

Leistungskennzahlen (Benchmarking)

Zur Bewertung der Leistungsfähigkeit dienen Benchmarks wie:

• Quantum Volume
• Algorithmic Qubit Fidelity
• Circuit Depth und Success Probability

Ein experimentelles Beispiel: Bei der Faktorisierung von 15 auf einem linearen Ionentrap-Prozessor wurde ein Erfolg mit einer Wahrscheinlichkeit von über 80 % erreicht – deutlich höher als bei vielen anderen Qubit-Technologien.

Quantenkommunikation und Quantenrepeater mit Ionen

Ionenbasierte Quantenkommunikation

Ionen können durch spontane Emission verschränkter Photonen mit entfernten Stationen verbunden werden. Dies ist der Grundstein für:

• Quanten-Teleportation
• Verteilte Quantenalgorithmen
• Sichere Schlüsselverteilung (QKD)

Quantenrepeater auf Ionenbasis

Um Informationsverlust bei großen Distanzen zu kompensieren, werden Quantenrepeater eingesetzt. Ionen eignen sich hierfür besonders, da sie:

• Verschränkung zuverlässig speichern können
• Hochpräzise Messprozesse erlauben
• Mit Photonen effizient verschränkt werden können

Ein typisches Repeaterprotokoll verwendet Knoten, in denen Ionen-Qubits lokal gespeichert und über Photonen miteinander verbunden werden. Der verschränkte Zustand:

|\Phi^+\rangle = \frac{1}{\sqrt{2}}(|00\rangle + |11\rangle)

kann durch Bell-State-Measurement und Teleportationsprotokolle in größerem Maßstab verteilt werden.

Quantensimulation molekularer Systeme

Motivation

Viele Probleme in der Quantenchemie und Festkörperphysik sind klassisch unlösbar. Beispiele sind:

• Elektronenkorrelation in Molekülen
• Übergangsmetallkomplexe
• Hochtemperatur-Supraleiter

Analoge und digitale Quantensimulation

Ionen-Qubits erlauben sowohl analoge Simulation durch direkte Nachbildung eines Hamiltonoperators, als auch digitale Simulation über Trotterisierung und VQE-Ansätze.

Beispiel für ein simuliertes Modell:

H = -J \sum_{\langle i,j \rangle} \sigma^z_i \sigma^z_j + h \sum_i \sigma^x_i

(Issing-Hamiltonian mit Transversal-Feld)

Solche Simulationen wurden erfolgreich auf bis zu 20 Ionen durchgeführt und erlauben Einblicke in Phasenübergänge und Quantenspinmodelle.

Chemische Anwendungen

Mit VQE und Ionenprozessoren wurden bereits Bindungsenergien einfacher Moleküle wie \text{H}_2 oder \text{LiH} erfolgreich bestimmt. Die Ergebnisse stimmen mit klassischen Berechnungen überein – ein bedeutender Meilenstein für die Quantenchemie.

Quanten-Metrologie und ultrapräzise Uhren mit Ionen-Qubits

Ionen in optischen Atomuhren

Ein herausragender Anwendungsbereich von Ionen-Qubits ist die Präzisionsmetrologie. Einzelne Ionen in Fallen bilden die Basis moderner optischer Atomuhren, mit einer relativen Genauigkeit von:

\Delta f / f < 10^{-18}

Solche Uhren verwenden Übergänge in stabilen Hyperfeinzuständen, z. B. im \text{Al}^+- oder \text{Yb}^+-Ion.

Quantensensorik mit Ionen

Ionen-Qubits reagieren empfindlich auf magnetische, elektrische und gravimetrische Felder. Dadurch eignen sie sich für den Bau von:

• Quantenmagnetometern
• Gravimetern
• Zeitnormalen

Diese Anwendungen reichen von Grundlagenforschung bis zur Navigation ohne GPS.

Standards der Zukunft

Die internationale Zeitdefinition (SI-Sekunde) könnte in Zukunft durch Ionenuhren ersetzt werden, da diese eine überlegene Langzeitstabilität gegenüber den aktuell verwendeten Cäsium-Atomuhren bieten.

Führende Forschungsinstitute und Technologieunternehmen

Die Entwicklung von Quantencomputern auf Basis von Ionen-Qubits ist nicht länger auf akademische Labore beschränkt – sie hat den Sprung in die industrielle Praxis geschafft. Weltweit agieren Unternehmen und Universitäten an der Spitze der Forschung, während internationale Förderinitiativen die Standardisierung und Skalierung beschleunigen. Dieser Abschnitt stellt zentrale Akteure vor, die die Entwicklung von Ionen-Qubits maßgeblich prägen.

IonQ: Kommerzielle Systeme auf Basis von Ionen-Qubits

Unternehmensprofil

IonQ wurde 2015 als Spin-off der University of Maryland gegründet und ist eines der weltweit führenden Unternehmen für Quantencomputer auf Ionenbasis. Das Unternehmen setzt auf lineare Fallenarchitekturen mit eng fokussierten Laserpulsen zur Steuerung einzelner Ionen. Es war das erste Quantenunternehmen mit Ionen-Qubit-Technologie, das an die Börse ging (NYSE: IONQ).

Technologischer Ansatz

IonQ nutzt ^{171}\text{Yb}^+-Ionen in linearer Konfiguration. Die Systeme sind modular aufgebaut und erlauben Fernzugriff über Cloud-Plattformen. Charakteristika:

• Gate-Fidelität: über 99 %
• Kohärenzzeiten: >1 s
• Photonenbasierte Kommunikation zwischen Modulen (geplant)

Anwendungen und Kunden

IonQs Plattform wird für Anwendungen in Quantenchemie, Optimierung und Machine Learning genutzt – unter anderem von Airbus, Goldman Sachs und der US-Luftwaffe. Auch Partnerschaften mit Amazon Braket und Microsoft Azure Quantum unterstreichen die Bedeutung der Technologie.

Honeywell Quantum Solutions

Hintergrund

Honeywell Quantum Solutions (heute Teil von Quantinuum) hat eine eigene Linie von Ionenfallenprozessoren entwickelt, die auf Hochpräzision und industrielle Verlässlichkeit ausgelegt sind. Im Jahr 2021 fusionierte Honeywell seine Quantenabteilung mit dem Start-up Cambridge Quantum Computing.

H-Systeme

Die Prozessoren H0 bis H3 basieren auf skalierbaren Paul-Fallen und zeichnen sich durch folgende Merkmale aus:

• Nutzung von ^{171}\text{Yb}^+ in Hochvakuum
• Dynamischer Ionen-Transport zwischen Zonen (QCCD)
• Integration eines Fehlerkorrektur-Moduls

Der Prozessor H2 erzielte 2023 eine Quantum Volume von über 512 – ein Weltrekord zu diesem Zeitpunkt.

Langfristige Strategie

Quantinuum plant hybride Quantenprozessoren mit klassischen Optimierungseinheiten sowie hochsichere Quantenverschlüsselungssysteme auf Basis von Ionen-Qubits.

Universitäten: Innsbruck, MIT, Oxford, NIST

Universität Innsbruck (Österreich)

Die Arbeitsgruppe um Rainer Blatt gilt als Pionier in der experimentellen Umsetzung von Ionen-Qubit-Systemen. Zu den Errungenschaften gehören:

• Erstes deterministisches Zwei-Qubit-Gatter (2003)
• Verschränkung von bis zu 20 Ionen
• Quanten-Fourier-Transformation und Grover-Suche mit Ionen

Die enge Verbindung zum Unternehmen Alpine Quantum Technologies (AQT) fördert den Technologietransfer.

Massachusetts Institute of Technology (MIT)

Das MIT betreibt Forschung an skalierbaren Ionenfallen-Chips und photonisch verbundenen Modulen. Besondere Schwerpunkte sind:

• Fehlerkorrektur auf physikalischer und logischer Ebene
• Integration photonischer Schnittstellen
• Puls-Shaping und dynamische Dekohärenzunterdrückung

Universität Oxford (UK)

Oxford ist ein Zentrum für Quantenkommunikation mit Ionen. Besondere Leistungen:

• Demonstration von Ionen-Photon-Verschränkung
• Quantenrepeater-Experimente
• Entwicklung kompakter Mikrochip-Fallen

National Institute of Standards and Technology (NIST)

Das NIST in den USA war eine der ersten Institutionen weltweit, die Ionenfallen zur hochpräzisen Zeitmessung und später zur Quanteninformationsverarbeitung einsetzte. Errungenschaften:

• Entwicklung der Aluminium-Ionenuhr
• Standardisierung von Ionenfallen-Geometrien
• Grundlagenexperimente zu Quanten-Gattern

Internationale Kooperationen und öffentlich geförderte Projekte

EU-Förderprogramme

Im Rahmen von Quantum Flagship werden mehrere Forschungsprojekte zu Ionen-Qubits finanziert, etwa:

• AQTION (Advanced Quantum Computing with Trapped IONs)
• Piedmont-QC (skalierbare europäische Ionenfallenchips)
• QuCom (Quantenkommunikation mit Ionen)

Ziel ist die Etablierung einer europäischen Ionenplattform als Gegengewicht zu US-amerikanischen Unternehmen.

US-Initiativen

Neben DARPA und NSF fördert insbesondere die DOE Quantum Information Science Initiative Forschungsverbünde zwischen Industrie, National Labs und Universitäten. Honeywell, IonQ und mehrere Universitäten erhalten hier gezielte Mittel zur Weiterentwicklung skalierbarer Systeme.

Internationale Kooperationen

Wichtige internationale Allianzen bestehen u. a. zwischen:

• Innsbruck – Oxford – AQT
• NIST – MIT – Sandia National Labs
• Japan – USA (RIKEN und NTT mit Honeywell)

Ziel ist der Austausch von Expertise, Standards und Technologien zur Entwicklung global einsetzbarer Ionen-Qubit-Systeme.

Historische Entwicklung und wissenschaftliche Meilensteine

Die Nutzung von Ionen zur Informationsverarbeitung ist das Resultat jahrzehntelanger Grundlagenforschung in Atomphysik, Lasertechnologie und Quantenoptik. Was als Präzisionsmetrologie begann, entwickelte sich zu einem der vielversprechendsten Pfade hin zum universellen Quantencomputer. Die folgenden Etappen markieren zentrale Fortschritte auf dem Weg von der ersten Ionenfalle zur industriellen Quantenplattform.

Erste Ionenfallen und Laserkühlung (1970er–1990er)

Entwicklung der Ionenfallen

Die konzeptionelle Grundlage für Ionenfallen wurde bereits in den 1950er-Jahren gelegt. In den 1970er-Jahren entwickelte Wolfgang Paul die sogenannte RF-Quadrupolfalle (Paul-Falle), die die dynamische Stabilisierung von geladenen Teilchen in einem elektromagnetischen Potential erlaubt. Für diese Pionierarbeit erhielt Paul 1989 den Nobelpreis für Physik.

Parallel entstand die Penning-Falle, die mit einem statischen Magnetfeld und einem elektrischen Quadrupolfeld arbeitet. Beide Technologien waren ursprünglich für Massenspektrometrie und präzise Frequenzmessungen gedacht.

Laserkühlung

Ein Meilenstein war die Einführung der Laserkühlung Ende der 1970er und frühen 1980er-Jahre, die erstmals erlaubte, Ionen bis nahe an den quantenmechanischen Grundzustand ihrer Bewegung zu bringen. Diese Technik ist für Ionen-Qubits essenziell, da thermische Bewegung zu Dekohärenz führt.

Im Jahr 1997 wurde die Laserkühlung mit dem Nobelpreis für Physik gewürdigt (Chu, Cohen-Tannoudji, Phillips), ein Impuls, der die Quantentechnologie erheblich vorantrieb.

Das erste logische Gatter mit Ionen (1995)

Theoretische Konzepte

Die Idee, Ionen als Qubits zu verwenden, wurde ab den 1990er-Jahren konkret. Ignacio Cirac und Peter Zoller publizierten 1995 ein theoretisches Protokoll für ein universelles Zwei-Qubit-Gatter mit gefangenen Ionen:

U_{\text{CZ}} = \exp\left(-i \frac{\pi}{4} Z_1 Z_2\right)

Dieser Vorschlag kombinierte Verschränkung über kollektive Schwingungsmoden mit Laseranregung einzelner Ionen – das Fundament der heutigen Ionen-Qubit-Technologie.

Erste Umsetzung

Noch im selben Jahr wurde ein solches Gatter im Labor realisiert – mit zwei gefangenen ^9\text{Be}^+-Ionen und gepulster Laserkontrolle. Dies markierte den ersten experimentellen Nachweis einer kontrollierten Quantenlogikoperation in einem physikalischen System.

Nobelpreise und bahnbrechende Publikationen

Nobelpreis 2012

Ein weiterer Durchbruch erfolgte 2012, als David Wineland (USA) und Serge Haroche (Frankreich) den Nobelpreis für Physik erhielten – für ihre Arbeiten an isolierten Quantensystemen. Winelands Experimente mit Ionenfallen und Einzelelektronenübergängen ebneten den Weg für präzise Quantenkontrolle und damit für Ionen-Qubits.

Meilensteinpublikationen

Zahlreiche Schlüsselveröffentlichungen markieren den Fortschritt:

• Cirac & Zoller (1995): Theoretische Fundierung der Ionenquantenlogik
• Monroe et al. (1996): Erzeugung eines Bell-Zustands
• Leibfried et al. (2003): Quanten-Fourier-Transformation mit Ionen
• Hanneke et al. (2009): Zwei-Qubit-Gatter mit 99,3 % Fidelität

Diese Arbeiten demonstrierten, dass Ionen nicht nur kontrollierbare Quantensysteme, sondern leistungsfähige Qubit-Kandidaten sind.

Der Weg zur industriellen Reife ab 2010

Kommerzialisierung

Ab 2010 traten Unternehmen wie IonQ, Honeywell und AQT auf den Plan, die den Transfer aus der Forschung in kommerzielle Anwendungen vorantrieben. Ziel war die Entwicklung skalierbarer, robuster und Cloud-fähiger Quantenprozessoren mit Ionen.

Integration und Miniaturisierung

Technologische Fortschritte führten zur Integration von Ionenfallen auf Mikrochip-Ebene (Surface Traps), zur Verbesserung der Laserstabilisierung sowie zur Entwicklung transportabler Vakuumkammern. Diese Entwicklungen machten Ionen-Qubits erstmals kompatibel mit Industrieanforderungen.

Cloudbasierte Quantenprozessoren

Mit der Veröffentlichung von Ionenprozessoren auf Cloud-Plattformen wie Amazon Braket oder Azure Quantum wurde ein breiter Zugang geschaffen. Auch Unternehmen außerhalb der Forschung – etwa Airbus, Roche oder Volkswagen – begannen, Ionen-Qubits in reale Anwendungsprobleme einzubinden.

Zukunftsperspektiven

Die Zukunft der Ionen-Qubit-Technologie ist eng mit der Frage verknüpft, wie Quantencomputer und Quantenkommunikationssysteme skaliert, vernetzt und für reale Anwendungen nutzbar gemacht werden können. Ionen-Qubits gelten dabei als zentrale Bausteine – nicht nur im Rahmen eigenständiger Systeme, sondern auch als integraler Bestandteil hybrider Architekturen. In diesem Abschnitt werden die wichtigsten Zukunftsszenarien, technologischen Wendepunkte und Visionen für Ionen-Qubits skizziert.

Integration mit photonischen und supraleitenden Qubits

Motivation für hybride Quantenarchitekturen

Jede physikalische Qubit-Plattform besitzt spezifische Stärken und Schwächen. Die Kombination unterschiedlicher Systeme in hybriden Architekturen zielt darauf ab, das Beste aus mehreren Welten zu vereinen:

• Ionen: hohe Kohärenz und Präzision
• Photonen: exzellente Übertragungseigenschaften
• Supraleiter: ultraschnelle Gatteroperationen und CMOS-Kompatibilität

Ionen–Photonen–Interfaces

Ein aktueller Forschungsschwerpunkt ist die direkte Kopplung von Ionen-Qubits an einzelne Photonen. Ziel ist es, verschränkte Zustände zu erzeugen, die als Brücken zwischen Ionenregistern und optischen Kommunikationskanälen dienen. Techniken beinhalten:

• Spontane Einzelphotonenemission mit Zustandskorrelation
• Kavitätsquantenelektrodynamik zur Emissionsverstärkung
• Faserintegrierte Ionenfallen für effiziente Kopplung

Integration mit supraleitenden Qubits

Auch erste Konzepte zur koherenten Kopplung von Ionen und Supraleitern werden erforscht, etwa durch gemeinsame Kopplung an Mikrowellenresonatoren oder photonische Bus-Quantenkanäle. Diese Ansätze stehen noch am Anfang, könnten aber neue Hybrid-Rechnerarchitekturen ermöglichen.

Technologische Durchbrüche und mögliche Paradigmenwechsel

Mikrochip-Fallen der nächsten Generation

Aktuelle Forschungsansätze zielen auf die Entwicklung von 3D-integrierten Ionenfallen, bei denen elektrostatische Kontrolle, Laserkopplung, Photodetektoren und Kühlung auf einem einzigen Chip verschmolzen werden. Ziele sind:

• Massive Parallelisierung von Qubit-Operationen
• Reduktion des Vakuumvolumens
• Integration photonischer Elemente

On-Chip-Photonenerzeugung und -detektion

Photonische Komponenten – wie Einzelphotonenquellen, Frequenzkonverter und Detektoren – sollen direkt in Ionenfallen integriert werden. Dies würde die Effizienz verschränkter Zustandsverteilung drastisch erhöhen und den Bau echter Quantenprozessor-Netzwerke ermöglichen.

Autonome Fehlerkorrektur

Ein Paradigmenwechsel zeichnet sich im Bereich der hardwareintegrierten Fehlerkorrektur ab. Künftige Ionenprozessoren könnten Logik- und Korrekturschaltungen nativ implementieren, z. B. durch Echtzeitüberwachung von Fehlerquellen, adaptives Puls-Shaping und autonome Reinitialisierung.

Das Rennen um den skalierbaren Quantencomputer

Skalierungsmöglichkeiten

Die Skalierung von Ionen-Qubit-Systemen erfolgt entlang dreier Dimensionen:

1. Vertikal: mehr Qubits pro Falle durch kompaktere Architektur
2. Horizontal: modulare Erweiterung durch photonische Links
3. Funktional: Integration von Fehlertoleranz und Logikgattern

Ein entscheidender Aspekt ist die Netzwerkfähigkeit von Quantenprozessoren – also die Fähigkeit, mehrere Module zu einem kohärenten Gesamtsystem zu verbinden.

Wettbewerbsdynamik

Im globalen Wettbewerb stehen Ionen-Qubit-Systeme im direkten Vergleich zu supraleitenden Qubits (z. B. von IBM, Google, Rigetti) und photonischen Architekturen (z. B. Xanadu). Während supraleitende Systeme mit Geschwindigkeit punkten, führen Ionen bei Kohärenz und Fehlerkontrolle.

Zahlreiche Start-ups und etablierte Konzerne investieren massiv in den Aufbau skalierbarer Systeme – ein Wettlauf, der von nationalen Strategien flankiert wird (USA, EU, China, Japan).

Metriken für Fortschritt

Der Fortschritt wird an Metriken wie Quantum Volume, Logical Qubit Lifetime, Circuit Depth und Fehlerkorrekturfähigkeit gemessen. Ionenplattformen zeigen dabei besonders stabile Skalierungstrends.

Langfristige Visionen: Quanteninternet und universelle Quantenmaschinen

Das Quanteninternet

Die Vision eines globalen Quanteninternets basiert auf der verschränkten Verbindung von Quantenknoten über Photonen. Ionen-Qubits gelten als ideale Speicherknoten, da sie:

• Quanteninformation langfristig speichern können
• präzise ausgelesen werden können
• effizient mit Photonen interagieren

Zukünftige Netzwerke könnten über Quantenrepeater mit Ionen aufgebaut werden, die entfernungsunabhängige Verschränkung ermöglichen.

Universelle Quantenmaschinen

Langfristig wird ein universeller, fehlertoleranter Quantencomputer angestrebt, der:

• Beliebige Algorithmen effizient berechnen kann
• Reale Probleme in Chemie, Medizin und Optimierung löst
• Klassische Supercomputer in spezifischen Bereichen übertrifft

Ionen-Qubits gelten dabei als tragfähige Option – nicht nur wegen ihrer Präzision, sondern auch wegen der Möglichkeit, auf modulare Weise systematisch zu skalieren.

Gesellschaftliche Implikationen

Die Verfügbarkeit universeller Quantenmaschinen wird tiefgreifende gesellschaftliche Folgen haben – von der sicheren Kommunikation bis zur KI-Beschleunigung. Ionen-Qubit-Systeme könnten dabei als Referenzplattform dienen, ähnlich wie klassische Halbleiterchips in der Digitalrevolution.

Fazit

Zusammenfassung der Kernpunkte

Ionen-Qubits zählen heute zu den stabilsten und präzisesten physikalischen Realisierungen von Qubits. Sie basieren auf gefangenen, elektrisch geladenen Atomen, deren diskrete Energiezustände durch Laserpulse gezielt manipuliert werden können. Durch ihre außergewöhnlich langen Kohärenzzeiten, hohe Gate-Fidelitäten und zuverlässige Messbarkeit bieten Ionen eine ideale Plattform für komplexe Quantenoperationen.

Die technologische Realisierung umfasst hochentwickelte Linear- und Mikrochipfallen, laserbasierte Steuerungssysteme, Kühlstrategien bis zum quantenmechanischen Grundzustand und erste integrierte Fehlerkorrekturmechanismen. In der Praxis finden Ionen-Qubits Anwendung in Quantencomputern, Quantensimulatoren, Quantenkommunikationsnetzwerken sowie in der ultrapräzisen Metrologie – etwa in Atomuhren der nächsten Generation.

Internationale Forschungseinrichtungen, Universitäten und Unternehmen wie IonQ, Honeywell/Quantinuum und die Universität Innsbruck treiben die Entwicklung mit Hochdruck voran. Parallel entstehen hybride Architekturen, in denen Ionen mit photonischen und supraleitenden Qubits kombiniert werden – eine zentrale Perspektive für die Skalierung und Vernetzung zukünftiger Quantencomputer.

Bewertung des Potenzials von Ionen-Qubits

Im Vergleich zu anderen Qubit-Technologien nehmen Ionen eine Sonderstellung ein. Ihre Vorteile sind klar:

• Lange Kohärenzzeiten, die komplexe Algorithmen ohne vorzeitigen Informationsverlust ermöglichen
• Präzise Kontrolle durch ausgereifte Lasersysteme
• Robuste Implementierung von Fehlerkorrektur

Die Herausforderungen liegen vor allem in der Skalierung und Parallelisierung. Der Aufbau großformatiger Ionen-Qubit-Prozessoren ist technisch komplex, insbesondere hinsichtlich optischer Zugänglichkeit, Transportmechanik und Modulvernetzung. Dennoch haben experimentelle Erfolge und kommerzielle Systeme gezeigt, dass diese Herausforderungen überwindbar sind.

Das Potenzial von Ionen-Qubits liegt nicht nur in ihrer Rolle als Plattform für universelles Quantenrechnen. Vielmehr bieten sie durch ihre Hybridisierbarkeit, Modularität und Präzision auch eine tragende Säule für Netzwerke, Sensorik und Kommunikationsanwendungen. In einer zukünftigen Quanteninfrastruktur könnten sie zentrale Knoten, Speicher- oder Steuerkomponenten übernehmen.

Einordnung im Gesamtkontext der Quantenrevolution

Die Quantenrevolution – also der Übergang von klassischer zur quantenmechanisch fundierten Technologie – schreitet mit rasanter Geschwindigkeit voran. Ionen-Qubits nehmen darin eine Schlüsselstellung ein. Sie verbinden bewährte Konzepte aus der Atomphysik mit den Anforderungen moderner Informationsverarbeitung und liefern eine Plattform, die sowohl wissenschaftlich als auch technologisch richtungsweisend ist.

In Analogie zur Digitalrevolution des 20. Jahrhunderts, bei der der Siliziumtransistor zum Standard wurde, könnten Ionen-Qubits im 21. Jahrhundert eine ähnliche Referenzfunktion in der Quanteninformationsverarbeitung einnehmen – sei es als Herzstück von Quantenprozessoren, als Verschränkungsknoten in globalen Quantenkommunikationsnetzen oder als integraler Bestandteil neuartiger Quantensensoren.

Der Weg ist klar: Ionen-Qubits sind nicht nur eine Brückentechnologie. Sie sind ein stabiler, präziser und bewährter Grundpfeiler im aufziehenden Zeitalter der Quanteninformatik.

Mit freundlichen Grüßen

---

Anhang

Glossar wichtiger Fachbegriffe

Literaturverzeichnis & weiterführende Ressourcen

Fachliteratur & Schlüsselpublikationen:

• Cirac, J. I. & Zoller, P. (1995). Quantum computations with cold trapped ions. Phys. Rev. Lett. 74, 4091–4094.
• Monroe, C. et al. (1995). Demonstration of a fundamental quantum logic gate. Phys. Rev. Lett. 75, 4714–4717.
• Blatt, R. & Wineland, D. (2008). Entangled states of trapped atomic ions. Nature 453, 1008–1015.
• Häffner, H., Roos, C. F., & Blatt, R. (2008). Quantum computing with trapped ions. Phys. Rep. 469, 155–203.
• Lekitsch, B. et al. (2017). Blueprint for a microwave trapped ion quantum computer. Sci. Adv. 3, e1601540.

Weiterführende Ressourcen (Online):

• NIST Ion Storage Group - https://www.nist.gov/pml/quantum-measurement/ion-storage-group
• IonQ Whitepapers & Developer Hub - https://ionq.com
• Quantinuum (Honeywell Quantum Solutions) - https://www.quantinuum.com
• Quantum Flagship (EU-Projektförderung) - https://www.quantum-flagship.eu
• QuTiP – Quantum Toolbox in Python - http://qutip.org

Abbildungen und Schemata

Ionenfalle im Querschnitt

Beschreibung: Querschnitt einer linearen Paul-Falle mit:

• RF- und DC-Elektroden
• Ionenkette im Zentrum
• Vakuumkammer
• Lasereinstrahlung orthogonal zur Fallebene

Ziel: Veranschaulichung der Konfinierung und Zugänglichkeit für Laserpulse.

Energiezustände eines Ions

Beschreibung: Termschemata für:

• Hyperfeinzustände mit Zeeman-Splitting
• Darstellung von optischen und Raman-Übergängen
• Einzeichnung erlaubter Gatteroperationen

Ziel: Verständnis für die Auswahl von Qubit-Zuständen und Übergangsmechanismen.

 

Aufbau eines Ionen-Qubit-Prozessors

Beschreibung: Schematischer Überblick über ein modernes Quantenprozessor-Setup mit:

• Mikrochip-Ionenfalle
• Lasersystem (inkl. AOMs, Verstärker)
• Detektionseinheit mit Photomultiplier oder EMCCD
• Steuerungselektronik (FPGA, DAC)

Ziel: Systemperspektive auf reale Ionen-Qubit-Plattformen zur Verdeutlichung des technologischen Aufwands.