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Zusammenfassung (Deutsch)

In einer Paul-Falle gespeicherte, laser-gekühlte atomare Ionen

können als elementare quantenmechanische Schalteinheiten für die

Quanteninformationsverarbeitung (QIV) genutzt werden. Hierfür muss

die Adressierung einzelner Ionen und die Wechselwirkung der Ionen

untereinander gewährleistet werden. Hierzu wurde ein Konzept

(magnetic gradient induced coupling, MAGIC) vorgeschlagen, welches

einen Magnetfeldgradienten ausnutzt, um Ionen im Frequenzraum

mittels Strahlung im Radiofrequenz- oder Mikrowellen-Bereich zu

adressieren. Dabei wird die magnetfeldabhängige Aufspaltung der

inneren Zustände der Ionen ausgenutzt. Zusätzlich kann eine

Spin-Spin Kopplung zwischen den gespeicherten Ionen in einer Kette

realisiert werden.

In dieser Arbeit werden erste Ergebnisse präsentiert um eine

Oberflächenfalle für die QIV im Zusammenhang mit dem Konzept MAGIC

nutzbar zu machen. Diese neuartige Falle ist eine miniaturisierte,

segmentierte Paul-Falle, bei der die zum Speichern von Ionen

notwendige Elektrodenstruktur auf eine einzige Ebene verlagert

werden kann und Ionen oberhalb dieser Ebene gespeichert werden

können. Es wird die Infrastruktur für die Herstellung einer

Oberflächenfalle an unserem Institut geschaffen und mittels

optischer Lithographie und Galvanik wird ein Fallenchip mit einer

Elektrodendicke von 8,5 µm mit einer Oberflächenrauheit von

20-30 nm produziert. Dieser beinhaltet eine

neuartige stromdurchflossene Struktur, die es erlaubt einen räumlich

und zeitlich variablen Magnetfeldgradienten am Ort der Ionen zu

erzeugen. Das Speichern von 172Yb+ Ionen über einige Stunden

hinweg wird demonstriert. Mit Hilfe der Radiofrequenz-optischen

Doppelresonanz-Spektroskopie wird der Magnetfeldgradient vermessen.

Erstmals ist an einer Oberflächenfalle eine Adressierung im

Frequenzraum von drei Ionen mittels angelegtem Gradienten

demonstriert worden. Die Güte der individuellen Adressierung der

Ionen beträgt F = 0,52(1). Diese ist aktuell durch Imperfektionen

der zuführenden Leiterbahnen begrenzt. In naher Zukunft sollten

Gradienten um 20 T/m realisierbar sein, was zu einer Güte nahe 1

führen sollte.

Zusammenfassung (Englisch)

Laser-cooled atomic ions, stored in a Paul trap, can be used as

elementary quantum mechanical units for quantum information science.

For this purpose, addressing of individual ions and deterministic

coupling between the ions have to be provided. A static magnetic

field gradient applied to a Wigner crystal of trapped ions allows

for addressing of individual ions in frequency space, if the ions’

energy levels are magnetic field dependent. At the same time this

field gradient induces spin-spin coupling (magnetic gradient induced

coupling - MAGIC) between ions that can be used for conditional

quantum gates. Both, addressing and conditional quantum gates can be

carried out using radiation in the radio-frequency and microwave

regime.

In this thesis first results to use a surface trap in quantum

information science using MAGIC are presented. This novel kind of

ion trap is a miniaturized, segmented Paul trap with electrodes

placed in one single plane. Using micro-system technology for

fabrication it is possible to produce complex two-dimensional

electrode structures. During the course of this thesis the

infrastructure was established to produce a surface trap chip at our

institute. A trap chip was fabricated using optical lithography and

electroplating with a resulting electrode-thickness of 8,5 µm

and a surface roughness of 20-30 nm. This chip

integrates a novel current-carrying structure to provide an

arbitrary magnetic field distribution at the ions’ position.

Trapping of 172Yb+ ions with storage times of hours is

demonstrated. Employing radio frequency-optical double-resonance

spectroscopy the magnetic field gradient is characterized. For the

first time, individual addressing in frequency space in a surface

trap is demonstrated. For three ions an addressing fidelity of

F = 0,52(1) was demonstrated. This value is currently limited by

imperfections of the circuit paths of the carrier. In the near

future gradients up to 20 T/m should be achieved leading to an

addressing fidelity close to unity.

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