Neue Ionenfalle hält schwere Ionen für Quantensimulationen

Die erste Version des Geräts leuchtete. Aus einem Block aus geschmolzenem Quarzglas gefertigt, glühte es im Vakuum, sobald die hohe Hochfrequenzspannung angelegt wurde – ein Zeichen dafür, dass Wärme und Strom schlecht beherrscht wurden. Abhishek Menon, Doktorand an der Rice University und korrespondierender Autor der Studie, bezeichnete diesen ersten Fehlschlag als „vielversprechend und aufschlussreich“. Die Falle wurde erst in ihrer dritten Generation brauchbar.

Ionenfallen-Simulatoren halten eine Reihe geladener Atome, also Ionen, mithilfe elektrischer Felder in einer Ionenfalle an Ort und Stelle. Laser lassen die Ionen so miteinander wechselwirken, dass sie ein von den Forschenden gewähltes Quantensystem nachahmen; die Informationen, die die Ionen kodieren, verraten die Eigenschaften dieses Systems. Das ist vor allem bei Systemen wichtig, die so komplex sind, dass selbst die leistungsstärksten Superrechner Mühe haben, sie zu simulieren. Ionenfallen waren lange in zwei Lager gespalten. Klingenartige Fallen bieten hohe Leistung, werden aber von Hand montiert, was ihre geometrische Präzision begrenzt und sie schwer reproduzierbar macht. Mikrogefertigte Chipfallen sind präzise und leicht reproduzierbar, schneiden aber in vielerlei Hinsicht schlechter ab. Monolithische dreidimensionale Fallen sollten beides vereinen, konnten bisher aber nur mit leichten Ionen wie Calcium arbeiten.

Das Design des Teams zielt auf schwerere Ionen wie Ytterbium. Die Kanäle für die Ionen und die Gräben für die Elektroden wurden mit Lasern und Chemikalien in das Glas geschnitten, danach wurde die Falle mit gesputtertem Gold beschichtet. Die Gräben isolieren die Elektroden: So werden sie während der Beschichtung nicht kurzgeschlossen und erleiden im Vakuum unter hoher Spannung keinen dielektrischen Durchschlag, einen elektrischen Defekt. Die dritte Generation brachte eine bessere Wärmesenke, die die Wärme abführt, verringerte die axiale Mikrobewegung der Ionen und nutzte eine plasmabasierte Oberflächenbehandlung, um die Erwärmungsraten der Ionen zu senken. Am schwierigsten war es, einen größeren Abstand zwischen den Ionen, niedrige Spannung und eine akzeptable Erwärmung auszubalancieren, ohne die Eigenschaften zu verlieren, die die Falle im Labor nützlich machen.

Die Fallen wurden einzeln in Paganos Labor und an der Duke University getestet. Das Team bestätigte, dass sie wie vorgesehen funktionierten und dass ihr Verhalten mit früheren Computersimulationen übereinstimmte. Dabei handelt es sich um eigene Messungen des Teams, berichtet in Physical Review Applied; die Veröffentlichung nennt keine unabhängige Gruppe, die sie wiederholt hätte.

Die unmittelbaren Nutznießer sind Hochschullabore. Roman Zhuravel, leitender Autor und Assistant Research Professor in Paganos Labor, sagte, die monolithische Falle mache Ionenfallen-Simulatoren „zugänglicher für Hochschullabore“. Forschende können ein schwieriges Quantenproblem in eines vereinfachen, das sie lösen können, und das Ergebnis anschließend auf das größere Problem übertragen. Paganos Beispiel ist der Ladungstransfer bei der Photosynthese. Der Bericht nennt weder einen Zeitplan für eine breitere Verfügbarkeit noch einen Preis und auch keinen kommerziellen Kunden; Translume Inc. taucht lediglich als Kooperationspartner auf.