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Dokument Type: Doctoral Thesis
Title: Eine planare mikrostrukturierte Paul-Falle mit integrierter Struktur für einen veränderbaren Magnetfeldgradienten
Other Titles: A planar micro-structured Paul trap with an integrated structure for a versatile magnetic field gradient
Authors: Kunert, Peter Josef 
Institute: Fakultät IV Naturwissenschaftlich-Technische Fakultät 
Free keywords: Quantenoptik, Ionenfalle, Oberflächenfalle, Quanteninformationsverarbeitung, quantum optics, ion trap, surface trap, quantum information processing, MAGIC
Dewey Decimal Classification: 530 Physik
GHBS-Clases: UHED
UHEQ
Issue Date: 2013
Publish Date: 2014
Abstract: 
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.

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.
URN: urn:nbn:de:hbz:467-7797
urn:nbn:de:hbz:467-7797
URI: https://dspace.ub.uni-siegen.de/handle/ubsi/779
License: https://dspace.ub.uni-siegen.de/static/license.txt
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