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Titelaufnahme

Titel
Towards cryogenic scalable quantum computing with trapped ions / vorgelegt durch DI DI Matthias F. Brandl, BSc
VerfasserBrandl, Matthias Franz
Betreuer / BetreuerinnenBlatt, Rainer
ErschienenInnsbruck, 29. November 2016
Umfangi, 142 Seiten : Illustrationen, Diagramme
HochschulschriftUniversität Innsbruck, Dissertation, 2016
Datum der AbgabeDezember 2016
SpracheEnglisch
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Quantenoptik / Quantencomputer / Ionenfallen / Kryostat / Laser
Schlagwörter (EN)Quantum optics / Quantum computer / Ion trap / Cryostat / Laser
URNurn:nbn:at:at-ubi:1-23407 Persistent Identifier (URN)
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 Das Werk ist frei verfügbar
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Towards cryogenic scalable quantum computing with trapped ions [10.43 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

In den letzten zwei Jahrzehnten hat sich das Feld der Quanteninformationsverarbeitung zu einem wichtigen Feld der Physik entwickelt und Systeme mit Ionenfallen sind eine der aussichtsreichsten Technologien um einen Quantencomputer zu bauen. Da Gatteroperationen an einigen wenigen Ionen bereits mit hoher Güte gezeigt wurden, liegt das Augenmerk nun auf skalierbaren Quantensystemen. Die hier präsentierte Arbeit beschreibt die Entwicklung eines skalierbaren Experiments zur Quanteninformationsverarbeitung mit 40Ca+ und 88Sr+ Ionen in Paulfallen. Die verwendete Ionenfalle ist eine planare, segmentierte Paulfalle, die es ermöglicht die gespeicherten Ionen in flexible Quanteninformationsregister für die Quanteninformationsverarbeitung zu unterteilen. Die Heizrate in der Falle und die Kollisionsrate der Ionen mit dem Hintergrundgas können verringernd werden, indem die Falle in einer kryogenen Umgebung betrieben wird. Die Wände des Kryostaten werden als magnetische Abschirmung verwendet, indem der Skin-Effekt ausgenutzt wird. Die gemessene Dämpfung von 120 dB der Magnetfeldabschirmung von 50 Hz-Signalen verlängert die Kohärenzzeiten der Quantenbits im Vergleich zu Experimenten bei Raumtemperatur. Es wurde eine Vibrationsisolation in den Kryostaten integriert, damit sich die Position der Ionen in der Falle nicht gegenüber dem optischen Tisch ändert. Dadurch ist während eines Experiments eine wohldefinierte Phase des Lichts an der Stelle der Ionen gewährleistet. Zusätzlich zum Kryostaten wurden der optische Aufbau und die elektronische Steuerung zur Verwendung von 40Ca+ und 88Sr+ im Labor installiert. Dies ermöglichte eine Charakterisierung des Aufbaus unter Verwendung der Ionen. Die gemessene Kohärenzzeit von 40Ca+ Ionen zeigte einen Gaußschen Verlauf des Ramsey-Kontrasts mit einer 1/e-Zeit von 18.2(8) ms. Weiter wurde eine Heizrate von 2.14(16) Phononen/s gemessen.

Zusammenfassung (Englisch)

Over the last two decades, the field of quantum computation has grown into a major field of physics and the trapped ion systems are one of the most promising candidates for the development of a quantum computer. As high-fidelity gate operations with few ions have already been demonstrated, the experimental challenges for quantum information processing lie in transferring these techniques onto scalable quantum systems. The presented work describes the development of a scalable experiment for trapped ion quantum computation with 40Ca+ and 88Sr+ ions. The incorporated ion trap is a planar, segmented Paul trap which enables reconfiguration of the stored ions in flexible quantum information registers to scale up quantum computation. In order to decrease the heating rate and the collision rate with background gas, the trap is operated in a cryogenic environment. The walls of the cryostat are used as magnetic shields by exploiting skin-effect to enhance the coherence times of the qubits. Measurements resulted in an attenuation of 120 dB for the magnetic shielding for 50 Hz signals. Vibration isolation was integrated in the design of the cryostat so that the positions of the ions in the trap are static with respect to the optical setup, resulting in a well-defined phase of the interaction field with respect to the qubit transition. In addition to the cryogenic apparatus, optical setups and electronic control systems for the operation with 40Ca+ and 88Sr+ ions were installed, which allowed a characterization of the entire system using trapped ions. The measurement of the coherence time of 40Ca+ showed a Gaussian decay of the Ramsey contrast with a 1/e-time of 18.2(8) ms and the obtained heating rate was 2.14(16) phonons/s.

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