DE102022124694A1

DE102022124694A1 - Quantencomputeranordnung und Quantencomputer

Info

Publication number: DE102022124694A1
Application number: DE102022124694.9A
Authority: DE
Inventors: Michael Johanning; Sebastian Bock; Pedram Yaghoubi; Patrick Huber; Patrick Barthel; Christof Wunderlich; Theeraphot Sriarunothai
Original assignee: Eleqtron GmbH; Universitaet Siegen Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts; Universitaet Siegen
Current assignee: Eleqtron De GmbH; Universitaet Siegen Koerperschaft Des Oeffent De
Priority date: 2022-09-26
Filing date: 2022-09-26
Publication date: 2024-03-28
Anticipated expiration: 2042-09-27
Also published as: WO2024068629A1; DE102022124694B4

Abstract

Es wird eine Quantencomputeranordnung (1) angegeben, die Folgendes umfasst- eine Permanentmagnetanordnung (2), die dazu ausgebildet ist ein Magnetfeld mit voneinander verschiedenen Größen für verschiedene Positionen auf einer ersten Achse (7) zu erzeugen,- einen Raum (5) für zumindest zwei eingefangene Quantenteilchen (6), die entlang der ersten Achse (7) angeordnet sind, und- ein weichmagnetisches Material (61), das von der Permanentmagnetanordnung (2) umgeben ist und dazu ausgebildet ist das von der Permanentmagnetanordnung (2) erzeugte Magnetfeld zu vergrößern.Ferner wird ein Quantencomputer (8) mit einer Quantencomputeranordnung (1) angegeben.

Description

Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf eine Quantencomputeranordnung und einen Quantencomputer.
Bei vielen Quantenberechnungen, die Quantencomputeranordnungen verwenden, können die Anordnungen so ausgebildet sein, dass Quantenteilchen eingefangen werden. Die eingefangenen Quantenteilchen müssen kontrolliert und manipuliert werden, um Berechnungen durchführen zu können. Bei geladenen eingefangenen Quantenteilchen führt eine Wechselwirkung wie z. B. die Coulomb-Abstoßung zu einer Kopplung benachbarter eingefangener Quantenteilchen und ermöglicht Verschränkung. Um mit den eingefangenen Quantenteilchen Quantenberechnungen durchführen zu können, müssen die eingefangenen Quantenteilchen also individuell voneinander steuerbar und adressierbar sein.
Eine individuelle Adressierung einer Vielzahl von eingefangenen Quantenteilchen, z. B. eines Quantenbitregisters, ist bei vernachlässigbarem Übersprechen erwünscht. Ein Übersprechen zwischen benachbarten eingefangenen Quantenteilchen ist jedoch typischerweise eine schwer zu kontrollierende Fehlerquelle in Quantenberechnungen und kann eine sinnvolle Anwendung von Quantenfehlerkorrekturprotokollen und damit eine Skalierbarkeit verhindern.
Damit besteht eine zu lösende Aufgabe darin, eine Quantencomputeranordnung anzugeben, die eine verbesserte Kontrollierbarkeit aufweist. Außerdem wird ein Quantencomputer angegeben, der eine solche Quantencomputeranordnung umfasst.
Die Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen, Umsetzungen und Weiterentwicklungen sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Ansprüche.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Quantencomputeranordnung eine Permanentmagnetanordnung, die dazu ausgebildet ist ein Magnetfeld mit voneinander verschiedenen Größen für verschiedene Positionen auf einer ersten Achse zu erzeugen. Beispielsweise ändert sich die Größe des Magnetfelds entlang der ersten Achse für verschiedene Positionen auf der ersten Achse. Die Größe ist z. B. symmetrisch in Bezug auf den Mittelpunkt der Permanentmagnetanordnung entlang der ersten Achse. Das heißt, es gibt z. B. zwei Punkte mit identischer Größe auf der ersten Achse.
Die Permanentmagnetanordnung weist eine Haupterstreckungsebene auf, wobei sich die erste Achse entlang der Haupterstreckungsebene erstreckt. Die erste Achse ist eine virtuelle Achse. Die erste Achse ist z.B. eine achsensymmetrische Achse innerhalb der Haupterstreckungsebene. Das heißt, dass die erste Achse die Permanentmagnetanordnung in Querschnittsansicht entlang der Haupterstreckungsebene in zwei Hälften teilt und eine Form der zwei Hälften im Wesentlichen identisch ist. „Im Wesentlichen identisch“ bedeutet beispielsweise, dass die Hälften aufgrund von Fertigungstoleranzen der Permanentmagnetanordnung, z. B. eine Fläche der Querschnitte der Hälften, höchstens um 5 % oder höchstens um 1 % voneinander abweichen können.
Die Permanentmagnetanordnung ist dazu ausgebildet ein magnetisches Multipolfeld zu erzeugen. Insbesondere wird ein magnetisches Quadrupolfeld erzeugt, wobei in einem Mittelpunkt der Permanentmagnetanordnung die Größe des Magnetfeldes verschwindet, z.B. in etwa 0 T ist. Aufgrund des magnetischen Multipolfeldes, insbesondere aufgrund des Quadrupolfeldes, sind die Größen des Magnetfeldes für verschiedene Positionen auf der ersten Achse unterschiedlich.
Bei einer solchen Permanentmagnetanordnung ändert sich die Größe des Magnetfeldes kontinuierlich entlang der ersten Achse, d. h. für verschiedene Positionen auf der ersten Achse, beginnend am Mittelpunkt. Die Größen des Magnetfeldes für verschiedene Positionen auf der ersten Achse sind somit charakteristisch für einen Magnetfeldgradienten entlang der ersten Achse.
Das Magnetfeld ist durch eine magnetische Flussdichte repräsentiert. Weiterhin entspricht ein Absolutwert der magnetischen Flussdichte der Größe des Magnetfelds für eine vorgegebene Position auf der ersten Achse.
Komponenten des Magnetfeldes entsprechen Komponenten von Vektoren, wobei die Vektoren in jede beliebige Richtung in Bezug auf die erste Achse zeigen können. Das heißt, dass zumindest einige der Vektoren des Magnetfeldes für unterschiedliche Positionen auf der ersten Achse unterschiedliche Winkel in Bezug auf die erste Achse aufweisen können. Zum Beispiel zeigen zumindest einige der Vektoren des Magnetfelds in radiale Richtung der ersten Achse oder in axiale Richtung der ersten Achse.
Beispielsweise weisen zumindest einige der Vektoren des Magnetfeldes bei unterschiedlichen Positionen auf der ersten Achse in dieselbe radiale Richtung und/oder in dieselbe axiale Richtung der ersten Achse. Alternativ oder zusätzlich sind zumindest einige der Vektoren des Magnetfeldes in radialer Richtung der ersten Achse gegeneinander verdreht.
Eine Verteilung der Größe des Magnetfeldes ist symmetrisch in Bezug auf den Mittelpunkt der Permanentmagnetanordnung entlang der ersten Achse. Beispielhaft ist die erste Achse durch den Mittelpunkt der Permanentmagnetanordnung in zwei Hälften geteilt. Die Größe des Magnetfeldes weist für die eine Hälfte eine negative Steigung und für die andere Hälfte eine positive Steigung auf. Der Magnetfeldgradient wächst entlang der ersten Achse, bezogen auf die Größe des Magnetfeldes entlang der ersten Achse, z. B. annähernd linear. Abweichungen von höchstens 5 % von der Linearität können aufgrund von Fertigungstoleranzen der Permanentmagnetanordnung, beispielhaft im zentralen Bereich, auftreten. Dies bedeutet, dass der Magnetfeldgradient entlang der ersten Achse ausgehend vom Mittelpunkt annähernd konstant ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Quantencomputeranordnung einen Raum für zumindest zwei eingefangene Quantenteilchen, die entlang der ersten Achse angeordnet sind. Dies bedeutet, dass im Betrieb der Quantencomputeranordnung die zumindest zwei eingefangenen Quantenteilchen entlang der ersten Achse angeordnet sind.
Beispielsweise weist der Raum eine Haupterstreckungsrichtung auf, die sich entlang der ersten Achse erstreckt.
Zum Beispiel umgibt die Permanentmagnetanordnung den Raum. Der Raum ist definiert als eine Fläche oder ein Volumen, die oder das von der Permanentmagnetanordnung umgeben ist und in der oder dem die Quantenteilchen im Betrieb der Quantencomputeranordnung eingefangene sind. Beispielsweise sind die eingefangenen Quantenteilchen im Betrieb der Quantencomputeranordnung entlang der ersten Achse linear nebeneinander angeordnet. Insbesondere sind im Betrieb der Quantencomputeranordnung mehr als zwei, z.B. mindestens 8, mindestens 20 oder mindestens 100 und/oder höchstens 1000, eingefangene Quantenteilchen entlang der ersten Achse angeordnet.
Die eingefangenen Quantenteilchen sind z. B. durch Energieniveaus in Atomen oder Molekülen, durch Spins von Elektronen und/oder Kernen, Ladungen, Flüsse oder Phasen in Supraleitern oder topologische Quantenzahlen von Anyonen in einem topologisch geschützten System repräsentiert.
Der Raum befindet sich beispielsweise in einer Vakuumumgebung und/oder in einer kryogenen Umgebung.
Beispielsweise ist jedes eingefangene Quantenteilchen durch ein vorgegebenes Fallenpotenzial eingefangen. Das Fallenpotential kann statisch oder dynamisch sein. Bei eingefangenen Quantenteilchen, die durch Energieniveaus in Atomen oder Molekülen repräsentiert sind, sind Ionen durch elektromagnetische Felder eingefangen. Beispielhaft sind Ionen durch dynamische elektrische Felder, insbesondere Radiofrequenzfelder, eingefangen. Bei eingefangenen Quantenteilchen, die durch die Spins von Elektronen repräsentiert sind, sind die Elektronen in einem Potentialtopf innerhalb eines Halbleitersystems eingefangen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Quantencomputeranordnung umfasst die Permanentmagnetanordnung ein weichmagnetisches Material, das von der Permanentmagnetanordnung umgeben ist und dazu ausgebildet ist das von der Permanentmagnetanordnung erzeugte Magnetfeld zu vergrößern. Das weichmagnetische Material ist beispielsweise auf der ersten Achse angeordnet, d. h. überlappt in einigen Bereichen mit der ersten Achse.
Das weichmagnetische Material hat zum Beispiel eine Koerzitivfeldstärke von höchstens 1000 A/m. Ein solches weichmagnetisches Material ist dazu ausgebildet in einem Magnetfeld besonders gut magnetisiert zu sein, was zu einer magnetischen Polarisation des weichmagnetischen Materials führt. Die magnetische Polarisierung des weichmagnetischen Materials ist durch das Magnetfeld der Permanentmagnetanordnung erzielt. Die magnetische Polarisation des weichmagnetischen Materials stellt eine Magnetfeldkomponente des Magnetfeldes in einem Bereich des weichmagnetischen Materials bereit, die größer ist als eine Komponente des Magnetfeldes der Permanentmagnetanordnung selbst im Bereich des weichmagnetischen Materials. Das weichmagnetische Material vergrößert also das Magnetfeld der Permanentmagnetanordnung, insbesondere im Bereich des weichmagnetischen Materials. Das heißt, dass auch der Magnetfeldgradient entlang der ersten Achse vergrößert ist.
Das weichmagnetische Material befindet sich beispielsweise in einer Vakuumumgebung und/oder in einer kryogenen Umgebung.
Eine Idee ist es unter anderem, die Permanentmagnetanordnung in Kombination mit dem weichmagnetischen Material zu verwenden, das von der Permanentmagnetanordnung umgeben ist. Die verschiedenen Größen des Magnetfeldes, d.h. der Magnetfeldgradient der Permanentmagnetanordnung, machen die Gleichgewichtspositionen der eingefangenen Quantenteilchen zustandsabhängig. Weiterhin ist die Resonanzfrequenz aufgrund des Magnetfeldgradienten für jedes eingefangene Quantenteilchen eindeutig.
Eine Kopplung der zumindest zwei eingefangenen Quantenteilchen ist abhängig von den Größen des Magnetfeldes, d.h. des Magnetfeldgradienten. Da die Kopplung proportional zum Quadrat des Magnetfeldgradienten ist, muss der Magnetfeldgradient groß genug sein, um eine ausreichende Kopplung für eine schnelle Berechnung zu erzeugen, was mit der hier beschriebenen Permanentmagnetanordnung in Kombination mit dem weichmagnetischen Material, insbesondere einer Struktur des weichmagnetischen Materials, realisiert sein kann. Das heißt, dass der Magnetfeldgradient groß genug sein muss, um eine Kopplung zu erzeugen, die groß ist im Vergleich zur Dekohärenzrate. Insbesondere vergrößert das weichmagnetische Material das Magnetfeld der Permanentmagnetanordnung im Bereich des weichmagnetischen Materials und vergrößert damit den Magnetfeldgradienten im Vergleich zur alleinigen Verwendung einer Permanentmagnetanordnung.
Insbesondere sind durch die Verwendung des weichmagnetischen Materials die Unterschiede der Größen des Magnetfeldes entlang der ersten Achse vorteilhaft um in etwa den Faktor 10 gegenüber der alleinigen Verwendung einer Permanentmagnetanordnung erhöht. Daher ist auch der Magnetfeldgradient entlang der ersten Achse im Vergleich zur Permanentmagnetanordnung in etwa um den Faktor 10 erhöht.
Ein solcher vergleichsweise großer Magnetfeldgradient verbessert die Adressierung und sorgt für ein geringeres Übersprechen und eine stärkere Kopplung der eingefangenen Quantenteilchen im Vergleich zur alleinigen Verwendung einer Permanentmagnetanordnung. Daher sind schnellere Quantenoperationen möglich und weniger Fehlerkorrekturen erforderlich.
Vorteilhafterweise ist bei der Permanentmagnetanordnung in Kombination mit dem weichmagnetischen Material der magnetische Gradient besonders hoch, während der verfügbare Raumwinkel und der Abstand zum Raum der eingefangenen Quantenteilchen begrenzt ist. Daher kann eine solche Quantencomputeranordnung in einer Vielzahl von Systemen eingesetzt werden. Das heißt, dass die Permanentmagnetanordnung vergleichsweise weit vom Raum entfernt sein kann, während das weichmagnetische Material vergleichsweise nahe am Raum sein kann, wodurch der vergleichsweise starke Magnetfeldgradient bereitgestellt ist.
Zusammenfassend wird eine Permanentmagnetanordnung mit einem weichmagnetischen Material dazu verwendet, das eine Jochstruktur sein kann, große Magnetfeldgradienten zu erzeugen, die von geladenen eingefangenen Quantenteilchen wahrgenommen werden, um große unterschiedliche Magnetfelder zu erzeugen, die von einzelnen eingefangenen Quantenteilchen wahrgenommen werden. In einer Quanteninformationsumgebung ermöglicht dies eine erweiterte Adressierung im Frequenzraum und somit individuelle Einzel-Qubit-Drehungen mit geringem Übersprechen sowie eine Einführung einer Kopplung zwischen geladenen eingefangenen Quantenteilchen, um Wechselwirkungen zu ermöglichen und somit Multi-Qubit-Gates zu ermöglichen. Dies kann auch in Verbindung mit Radiofrequenz, RF, Feldern zur Qubit-Steuerung genutzt werden, für die eine Adressierung durch fokussierende Strahlung aufgrund der langen Wellenlänge nicht in Frage kommt, RF Felder jedoch Vorteile in Bezug auf Miniaturisierung und Integration bieten können. Zu diesem Zweck sind große oder steile Magnetfeldgradienten erwünscht, die eine bessere Adressierung und schnellere Quantengatter mit höherer Wiedergabetreue ermöglichen, und die Permanentmagnetanordnung, die insbesondere eine Halbach-Anordnung ist, erlaubt große Magnetfeldgradienten, selbst wenn der Abstand zwischen Segmenten der Permanentmagnetanordnung und eingefangenen Quantenteilchen durch technische Bedingungen von unten begrenzt ist. Die Jochstrukturen werden in Bereichen platziert, in denen das Magnetfeld der Permanentmagnetanordnung bereits eine kleine Größe aufweist und konzentrieren es auf den kleinen Querschnitt der Jochstrukturen, ohne die Sättigungsmagnetisierung der Jochstrukturen zu überschreiten, wodurch die Größe der erreichbaren Magnetfeldgradienten erheblich gesteigert ist, was ein geringeres Übersprechen, stärkere Kopplungen und schnellere Quantengates ermöglicht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Quantencomputeranordnung ist das weichmagnetische Material ein ferromagnetisches Material, das dazu ausgebildet ist durch das von der Permanentmagnetanordnung erzeugte Magnetfeld magnetisiert zu sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Quantencomputeranordnung weist das weichmagnetische Material eine Schmelztemperatur von zumindest 500 °C auf. Die Schmelztemperatur ist beispielhaft durch die Temperatur repräsentiert, bei der das weichmagnetische Material seinen Zustand ändert.
Die Schmelztemperatur des weichmagnetischen Materials ist beispielsweise zumindest 1000 °C, in etwa 1660 °C.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Quantencomputeranordnung weist das weichmagnetische Material eine Haupterstreckungsrichtung entlang der ersten Achse auf. Beispielhaft ist das weichmagnetische Material in der Richtung der ersten Achse gestreckt. Durch eine solche Streckung ist die Größe des Magnetfeldes entlang der ersten Achse, insbesondere im Bereich des weichmagnetischen Materials, vorteilhaft vergrößert.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Quantencomputeranordnung weist das weichmagnetische Material eine relative magnetische Permeabilität von mindestens 300, insbesondere von mindestens 1000, auf. Die relative magnetische Permeabilität ist die magnetische Permeabilität des weichmagnetischen Materials geteilt durch die magnetische Permeabilität des freien Raums.
Die relative magnetische Permeabilität des weichmagnetischen Materials ist beispielhaft mindestens 10000 und höchstens 20000, insbesondere mindestens 11000 und höchstens 15000. Beispielsweise ist die relative magnetische Permeabilität des weichmagnetischen Materials in etwa 12000.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Quantencomputeranordnung weist das weichmagnetische Material eine Sättigungsflussdichte von mindestens 1 T auf. Beispielhaft ist die Sättigungsflussdichte des weichmagnetischen Materials mindestens 1,5 T und höchstens 5 T, insbesondere mindestens 2 T und höchstens 3 T. Beispielsweise ist die Sättigungsflussdichte des weichmagnetischen Materials in etwa 2,4 T.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Quantencomputeranordnung umfasst das weichmagnetische Material Eisen, Kobalt und Vanadium. Beispielsweise umfasst das weichmagnetische Material weiterhin zumindest eines der folgenden Materialien: Mangan, Niob, Silizium, Kohlenstoff.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Quantencomputeranordnung ist eine Konzentration von Eisen und Kobalt höher als eine Konzentration von Vanadium. Zum Beispiel ist die Konzentration von Eisen und Kobalt zumindest 97 % in Bezug auf das weichmagnetische Material. Die Konzentration von Vanadium ist zumindest 1,5 % in Bezug auf das weichmagnetische Material.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Quantencomputeranordnung ist eine Änderung der Größen des Magnetfeldes entlang der ersten Achse mindestens 50 T/m. Beispielsweise ist die Änderung der Größen des Magnetfeldes entlang der ersten Achse im Bereich des weichmagnetischen Materials mindestens 100 T/m und höchstens 500 T/m, insbesondere mindestens 200 T/m und höchstens 300 T/m.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Quantencomputeranordnung umfasst die Permanentmagnetanordnung eine Vielzahl von Segmenten, nämlich zumindest vier Segmente. Zum Beispiel umfasst die Permanentmagnetanordnung zumindest vier Segmente, insbesondere zumindest 8 Segmente, zumindest 16 oder zumindest 32 Segmente. Jedes Segment umfasst ein permanentmagnetisches Material. Insbesondere umfasst jedes der Segmente dasselbe permanentmagnetische Material. Beispielhaft umfasst das permanentmagnetische Material ein ferromagnetisches Material.
Jedes Segment ist z. B. einstückig gebildet. Alternativ ist jedes Segment mit zumindest zwei Teilsegmenten gebildet, wobei die zumindest zwei Teilsegmente die gleichen Material- und/oder Magnetisierungseigenschaften aufweisen.
In einer bevorzugten Ausführungsform erstreckt sich die erste Achse linear von einem der Segmente zu einem anderen der Segmente, das dem genannten einen der Segmente in Bezug auf einen Mittelpunkt der Permanentmagnetanordnung direkt gegenüberliegt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Quantencomputeranordnung weist jedes Segment eine Magnetisierungsrichtung auf. Die Magnetisierung jedes Segments ist durch ein Vektorfeld definiert, das für Dipolmomente des jeweiligen permanentmagnetischen Materials repräsentativ ist. Das heißt, dass das jeweilige permanentmagnetische Material Dipolmomente aufweist. Das Vektorfeld, insbesondere die Dipolmomente des permanentmagnetischen Materials, definieren die jeweilige Magnetisierungsrichtung. Die Dipolmomente zeigen größtenteils in die Magnetisierungsrichtung.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Quantencomputeranordnung sind die Magnetisierungsrichtungen von Segmenten, die in gegenüberliegenden Bereichen angeordnet sind, in entgegengesetzte Richtungen gerichtet. Die Segmente sind in Bezug auf den Mittelpunkt der Permanentmagnetanordnung in gegenüberliegenden Bereichen angeordnet. Die Magnetisierungsrichtungen der Segmente, die in gegenüberliegenden Bereichen angeordnet sind, sind diametral zueinander.
Wenn es m Segmente gibt, wobei m eine gerade natürliche Zahl von zumindest 4 ist, sind die Magnetisierungsrichtungen der beiden direkt benachbarten Segmente um 360° · 3/m gegeneinander gedreht.
Insbesondere ist die erste Achse in Bezug auf zwei einander gegenüberliegende Segmente definiert, wobei die Magnetisierungsrichtungen der beiden Segmente jeweils parallel zur ersten Achse verlaufen.
Die Permanentmagnetanordnung ist beispielsweise eine Halbach-Anordnung.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Quantencomputeranordnung umgeben die Segmente den Raum in der Form eines Rings oder die Segmente umgeben den Raum in der Form einer Kontur eines Polygons. Der Ring oder die Kontur des Polygons sind virtueller Natur. In Querschnittsansicht entlang der Haupterstreckungsebene ist jedes Segment beispielhaft auf einem Punkt angeordnet, wobei die Punkte auf dem Ring oder der Kontur des Polygons lokalisiert sind. Die Punkte sind voneinander beabstandet, so dass sich die Segmente auch in der Haupterstreckungsebene nicht überlappen. Jeder Punkt ist repräsentativ, z.B. für einen Mittelpunkt eines jeweiligen Segments.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Quantencomputeranordnung ist eine Remanenz jedes der Segmente mindestens 0,1 T und höchstens 1,5 T. Insbesondere ist die Remanenz jedes der Segmente mindestens 0,5 T und/oder höchstens 1 T.
Wenn die Segmente in der Form eines Rings angeordnet sind, weist die Flussdichte $\vec{B}$
die dem Magnetfeld entspricht, die folgende Form auf: $\vec{B} = 2 B_{R} (\frac{1}{R_{i}} - \frac{1}{R_{o}}) (\begin{matrix} 1 & 0 \\ 0 & - 1 \end{matrix}) (\begin{matrix} x \\ y \end{matrix}),$
wobei B_R die Remanenz der Segmente, R_i der Innenradius, R_o der Außenradius und x und y die Koordinaten innerhalb der Permanentmagnetanordnung sind. Vorteilhafterweise ist das resultierende Magnetfeld durch das weichmagnetische Material im Bereich des weichmagnetischen Materials, insbesondere entlang der ersten Achse, weiter vergrößert.
Beispielsweise weisen Kanten von Segmenten, die in gegenüberliegenden Bereichen angeordnet sind und einander zugewandt sind, einen minimalen Abstand zueinander von mindestens 0,001 cm und höchstens 100 cm auf. Insbesondere ist der minimale Abstand mindestens 0,01 cm oder mindestens 1 cm und höchstens 25 cm oder höchstens 50 cm. Gegenüberliegend bedeutet in diesem Zusammenhang z.B. gegenüber in Bezug auf einen Schwerpunkt der Permanentmagnetanordnung und/oder gegenüber in Bezug auf den Mittelpunkt des Magnetfeldes, d.h. einem Mittelpunkt des Quadrupolfeldes.
Der minimale Abstand geteilt durch zwei ist zum Beispiel als Innenradius der Permanentmagnetanordnung definiert.
Zum Beispiel weist jedes Segment eine Ausdehnung entlang dem entsprechenden minimalen Abstand von mindestens 0,001 cm und höchstens 100 cm auf. Insbesondere ist die Ausdehnung mindestens 0,01 cm oder mindestens 1 cm und höchstens 25 cm oder höchstens 50 cm.
Zum Beispiel ist der minimale Abstand geteilt durch zwei und die Ausdehnung entlang des entsprechenden minimalen Abstands als Außenradius der Permanentmagnetanordnung definiert.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Quantencomputeranordnung weist das weichmagnetische Material einen ersten Teil und einen zweiten Teil auf. Der erste Teil und der zweite Teil sind entlang der ersten Achse voneinander beabstandet. Beispielhaft überlappen sowohl der erste Teil als auch der zweite Teil in einigen Bereichen mit der ersten Achse. Weiterhin weisen sowohl der erste Teil als auch der zweite Teil eine Haupterstreckungsrichtung entlang der ersten Achse auf.
Beispielsweise ist der Abstand entlang der ersten Achse vom ersten Teil zum zweiten Teil mindestens 1 µm und höchstens 25 cm, insbesondere mindestens 50 µm und höchstens 5 cm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Quantencomputeranordnung bilden der erste Teil und der zweite Teil eine Jochstruktur innerhalb der Permanentmagnetanordnung. Zum Beispiel ist der erste Teil als ein Pol der Jochstruktur und der zweite Teil als ein anderer Pol der Jochstruktur ausgebildet. Insbesondere ist eine magnetische Struktur der Jochstruktur durch das Magnetfeld der Permanentmagnetanordnung induziert.
Zum Beispiel weisen der erste Teil und der zweite Teil jeweils eine Endfläche auf, die sich im Wesentlichen senkrecht zur ersten Achse erstrecken, zwischen denen sich der Raum befindet. Im Wesentlichen senkrecht bedeutet, dass die Endfläche aufgrund von Fertigungstoleranzen einen Winkel von ± 1° zur Richtung senkrecht zur ersten Achse aufweisen kann. Das bedeutet, dass die Endfläche des ersten Teils und die Endfläche des zweiten Teils in Bezug auf den Raum einander gegenüberliegend angeordnet sind.
Typischerweise treten die Magnetfeldlinien aus dem weichmagnetischen Material senkrecht zu den Endflächen aus. Beispielsweise weisen die Endflächen jeweils einen Abstand zum Mittelpunkt der Permanentmagnetanordnung auf. Die Abstände des ersten Teils und des zweiten Teils, insbesondere der Endflächen, zum Mittelpunkt sind im Wesentlichen gleich zueinander. „Im Wesentlichen gleich“ bedeutet, dass die Abstände der Endflächen zum Mittelpunkt um höchstens 50 pm, insbesondere höchstens 10 pm, voneinander abweichen können.
Durch die senkrecht zur ersten Achse verlaufende Endfläche und die gleichen Abstände zueinander treffen sich die Magnetfeldlinien des ersten Teils und des zweiten Teils vorteilhaft in dem Mittelpunkt der Permanentmagnetanordnung, was ebenfalls zur Vergrößerung der Unterschiede der Größen des Magnetfelds entlang der ersten Achse, also des Magnetfeldgradienten, beiträgt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Quantencomputeranordnung weiter eine Ionenfalle mit einer ersten Endkappenelektrode und einer zweiten Endkappenelektrode, zwischen denen sich der Raum befindet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Quantencomputeranordnung ist der erste Teil als erste Endkappenelektrode und der zweite Teil als zweite Endkappenelektrode ausgebildet. Die erste Endkappenelektrode und die zweite Endkappenelektrode sind jeweils dazu ausgebildet mit einem Gleichstrom, kurz DC, versorgt zu sein. Die erste Endkappenelektrode und die zweite Endkappenelektrode sind dazu ausgebildet die einzufangenden Quantenteilchen entlang der ersten Achse zwischen der ersten Endkappenelektrode und der zweiten Endkappenelektrode zu fangen.
Zum Beispiel sind die erste Endkappenelektrode und die zweite Endkappenelektrode mit einer metallischen Beschichtung versehen, die elektrisch leitend ist. Die metallische Beschichtung der ersten Endkappenelektrode und der zweiten Endkappenelektrode umfassen oder bestehen z. B. aus Gold.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Quantencomputeranordnung weiter eine Ionenfalle zum Bereitstellen des Raums umfassend zumindest ein Substrat.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Quantencomputeranordnung ist das zumindest eine Substrat elektrisch isolierend ausgebildet, und der erste Teil und der zweite Teil sind in das zumindest eine Substrat eingebettet. Das elektrisch isolierende Substrat umfasst oder besteht aus einem elektrisch isolierenden Material. „Eingebettet“ bedeutet hier, dass zumindest eine Außenfläche des ersten Teils und des zweiten Teils von dem Substrat bedeckt ist. Beispielhaft sind alle Außenflächen des ersten Teils und des zweiten Teils von dem Substrat bedeckt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Quantencomputeranordnung weiter zumindest eine zusätzliche Permanentmagnetanordnung. Insbesondere kann die Quantencomputeranordnung mehrere zusätzliche Permanentmagnetanordnungen umfassen. Die zusätzliche Permanentmagnetanordnung kann die gleichen Abmessungen und/oder Eigenschaften wie die oben beschriebene Permanentmagnetanordnung aufweisen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Quantencomputeranordnung weiter zumindest ein zusätzliches weichmagnetisches Material, das von der zumindest einen zusätzlichen Permanentmagnetanordnung umgeben ist. Das zusätzliche weichmagnetische Material kann die gleiche Form und die gleichen Eigenschaften aufweisen wie das oben beschriebene weichmagnetische Material.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Quantencomputeranordnung weist die Permanentmagnetanordnung eine gedrehte Position relativ zu der zusätzlichen Permanentmagnetanordnung auf. Beispielsweise ist die zusätzliche Permanentmagnetanordnung gegenüber der Permanentmagnetanordnung in einer gedrehten Form, insbesondere in einer aus der Ebene gedrehten Form, angeordnet, so dass die jeweiligen Haupterstreckungsebenen einen Winkel einschließen. Dies bedeutet, dass die zusätzliche Haupterstreckungsebene der zusätzlichen Permanentmagnetanordnung aus der Ebene der Haupterstreckungsebene der Permanentmagnetanordnung herausgedreht ist. Beispielsweise kann der Winkel zwischen 0° und 180°, insbesondere 60°, 120° und/oder 90°, sein.
Beispielsweise ist die zusätzliche Permanentmagnetanordnung um 90° gegenüber der Permanentmagnetanordnung gedreht, so dass die jeweiligen Haupterstreckungsebenen einen Winkel von 90° einschließen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Quantencomputeranordnung sind die Permanentmagnetanordnung und die zusätzliche Permanentmagnetanordnung parallel zueinander.
Beispielsweise sind die erste Achse und die zusätzliche erste Achse parallel zueinander positioniert.
Alternativ ist die zusätzliche Permanentmagnetanordnung gegenüber der Permanentmagnetanordnung gedreht, insbesondere in der Ebene gedreht, angeordnet. In diesem Fall sind die Haupterstreckungsebene und die zusätzliche Haupterstreckungsebene parallel zueinander. Bei einer solchen in der Ebene gedrehten Form ist von der jeweiligen ersten Achse, d.h. der ersten Achse und der zusätzlichen ersten Achse, ein Winkel eingeschlossen. Beispielsweise ist der Winkel zwischen 0° und 90°.
Beispielsweise ist die zusätzliche Permanentmagnetanordnung in der Ebene um 90° gegenüber der Permanentmagnetanordnung gedreht, so dass die jeweiligen ersten Achsen einen Winkel von 90° einschließen. In dieser Ausführungsform sind die erste Achse und die zusätzliche erste Achse senkrecht zueinander positioniert.
Eine solche Anordnung umfassend die Permanentmagnetanordnung und die zusätzlichen Permanentmagnetanordnung bildet - bezogen auf das Magnetfeld - beispielhaft jeweils einen dreidimensionalen begrenzten Raum, z.B. einen dreidimensionalen Gradientenraum.
Das zusätzliche weichmagnetische Material ist zum Beispiel entlang einer zusätzlichen ersten Achse der zusätzlichen Permanentmagnetanordnung angeordnet.
Des Weiteren wird ein Quantencomputer angegeben, der eine Quantencomputeranordnung wie oben beschrieben umfasst. Damit gelten die Merkmale, die den Quantencomputer betreffen, auch für die Quantencomputeranordnung und umgekehrt.
Der Quantencomputer ist dazu ausgebildet unter Verwendung der Quantencomputeranordnung Quantenberechnungen durchzuführen. Die eingefangenen Quantenteilchen der Quantencomputeranordnung können besonders gut mit der oben beschriebenen Permanentmagnetanordnung kontrolliert und manipuliert werden, um vorgegebene Quantenberechnungen durchzuführen.
Im Folgenden wird die Quantencomputeranordnung unter Bezugnahme auf Ausführungsbeispiele und die zugehörigen Figuren näher erläutert.
Die 1 und 2 zeigen jeweils eine Querschnittsansicht einer Quantencomputeranordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel.
3 zeigt ein beispielhaftes Diagramm der Größen des Magnetfelds einer Permanentmagnetanordnung einer Quantencomputeranordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel.
4 zeigt einen Quantencomputer gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Elemente, die identisch oder ähnlich sind oder die gleiche Wirkung haben, sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Proportionen der in den Figuren dargestellten Elemente sind nicht als maßstabsgetreu anzusehen. Vielmehr können einzelne Elemente zur besseren Darstellbarkeit und/oder zur besseren Verständlichkeit übertrieben groß dargestellt sein.
Eine Quantencomputeranordnung 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel der 1 umfasst eine Permanentmagnetanordnung 2. Die Permanentmagnetanordnung 2 umfasst 16 Segmente 3. Die Segmente 3 umgeben einen Raum 5 der Quantencomputeranordnung 1, in dem eingefangene Quantenteilchen 6 im Betrieb der Quantencomputeranordnung 1 eingefangen sind. Die Segmente 3 umgeben den Raum 5 in Form eines Rings. Jedes Segment 3 ist so angeordnet, dass sein Mittelpunkt auf einem Punkt des Rings liegt.
Die Permanentmagnetanordnung 2 weist eine Haupterstreckungsebene auf, die sich entlang der in 1 dargestellten x-Achse und y-Achse erstreckt. Jedes Segment 3 weist im Querschnitt die Form eines Ringsektors oder Kreisringsektors auf, wobei alle Segmente 3 denselben gemeinsamen Innenring und denselben gemeinsamen Außenring aufweisen. Eine Breite jedes Segments 3 verjüngt sich zum Raum 5 hin. Damit sind gegenüberliegende Kanten jedes Segments 3, die dem Raum 5 zugewandt sind, gekrümmt. Ein Normalenbündel der gekrümmten Kanten zeigt von dem Raum 5 weg. Das heißt, dass ein Radius der gekrümmten Kanten in Bezug auf einen zentralen Bereich der Permanentmagnetanordnung 2 definiert ist.
Die gekrümmten Kanten der Segmente 3, die in Bezug auf den zentralen Bereich gegenüberliegend angeordnet sind und einander zugewandt sind, weisen einen minimalen Abstand voneinander von in etwa 10 cm auf. Der minimale Abstand geteilt durch zwei definiert einen Innenradius Ri der Permanentmagnetanordnung 2.
Weiterhin weist jedes Segment 3 eine Ausdehnung entlang des entsprechenden minimalen Abstands von in etwa 20 cm auf. Der minimale Abstand geteilt durch zwei und die Ausdehnung entlang des entsprechenden minimalen Abstands definieren einen Außenradius R_o der Permanentmagnetanordnung 2.
Zum Beispiel sind direkt benachbarte Segmente 3 voneinander beabstandet. Die einander zugewandten Kanten direkt benachbarter Segmente 3 weisen einen Abstand von in etwa 1 mm zueinander auf.
In diesem Ausführungsbeispiel weist jedes Segment 3 eine Symmetrielinie auf, die die gegenüberliegenden, dem Raum 5 zugewandten Kanten halbiert. Die Symmetrielinie ist für die Segmente 3, die einander gegenüberliegend angeordnet sind, gleich. Eine der Symmetrielinien stellt eine erste Achse 7 der Permanentmagnetanordnung 2 dar, wobei die erste Achse 7 beispielhaft innerhalb der Haupterstreckungsebene verläuft.
Darüber hinaus weist jedes Segment 3 eine Magnetisierungsrichtung 4 auf, die in 1 als Pfeile innerhalb der Segmente 3 dargestellt ist. Die Magnetisierungsrichtungen 4 der Segmente 3, die in gegenüberliegenden Bereichen in Bezug auf ein Mittelpunkt der Permanentmagnetanordnung 2 angeordnet sind, sind in entgegengesetzte Richtungen gerichtet. Die erste Achse 7 der Permanentmagnetanordnung 2 ist in Bezug auf zwei einander gegenüberliegend angeordnete Segmente 3 definiert, wobei die Magnetisierungsrichtungen 4 der jeweiligen zwei Segmente 3 parallel zur ersten Achse 7 verlaufen.
Jede Magnetisierungsrichtung 4 schließt einen Winkel mit der ersten Achse 7 ein. Alle diese Winkel sind unterschiedlich ausgebildet. Zum Beispiel unterscheiden sich die Winkel direkt benachbarter Segmente 3 um 67,5° voneinander.
In den Ausführungsbeispielen der 1 und 2 weist die erste Achse 7 in Richtung der x-Achse.
Weiterhin ist der Winkel des Segments 3 mit einer Magnetisierungsrichtung 4, die parallel zur ersten Achse 7 verläuft und in dieselbe Richtung wie die erste Achse 7 zeigt, 0°. Der Winkel des gegenüberliegenden Segments 3 mit einer Magnetisierungsrichtung 4, die parallel zur ersten Achse 7 verläuft und in die entgegengesetzte Richtung wie die erste Achse 7 zeigt, ist 180°.
Geht man auf dem Ring im Uhrzeigersinn von dem Segment 3 mit einer Magnetisierungsrichtung 4, die parallel zur ersten Achse 7 verläuft und in die gleiche Richtung wie die erste Achse 7 zeigt, zurück zu diesem Segment 3, dreht sich die Magnetisierungsrichtung 4 ebenfalls im Uhrzeigersinn.
Mit solchen Segmenten 3 ist die Permanentmagnetanordnung 2 dazu ausgebildet ein Quadrupolfeld zu erzeugen und damit verschiedene Größen entlang der ersten Achse 7, d.h. einen Magnetfeldgradienten entlang der ersten Achse 7, aufzuweisen. Ferner sind im Betrieb der Quantencomputeranordnung 1 die eingefangenen Quantenteilchen 6 entlang der ersten Achse 7 linear nebeneinander angeordnet.
Die Größen des Magnetfeldes, die auf die eingefangenen Quantenteilchen 6 wirken, sind für jedes auf der ersten Achse 7 angeordnete eingefangene Quantenteilchen 6 unterschiedlich.
Weiterhin weist die Permanentmagnetanordnung 2 ein weichmagnetisches Material 60 auf, das auf der ersten Achse 7 angeordnet ist. Das weichmagnetische Material 60 weist einen ersten Teil 62 und einen zweiten Teil 63 auf, die entlang der ersten Achse 7 voneinander beabstandet sind. Ferner weisen sowohl der erste Teil 62 als auch der zweite Teil 63 eine Haupterstreckungsrichtung entlang der ersten Achse 7 auf.
Beispielsweise ist der erste Teil 62 eine erste Endkappenelektrode 41 und der zweite Teil 63 eine zweite Endkappenelektrode 42 einer Ionenfalle 100. In diesem Fall bilden die erste Endkappenelektrode 41 und die zweite Endkappenelektrode 42 eine Jochstruktur 60.
Der Mittelpunkt der Permanentmagnetanordnung 2 befindet sich zwischen dem ersten Teil 62 und dem zweiten Teil 63. Das heißt, dass sich der Raum 5 zwischen dem ersten Teil 62 und dem zweiten Teil 63 befindet.
Das Magnetfeld, insbesondere die Größe des Magnetfeldes, der Permanentmagnetanordnung 2 ist in einem Bereich des ersten Teils 62 und einem Bereich des zweiten Teils 63 um in etwa das 10-fache erhöht, während die Größe des Magnetfeldes im Mittelpunkt der Permanentmagnetanordnung 2 gleich Null ist.
Das heißt, dass die Differenz der Größe des Magnetfeldes entlang der ersten Achse 7 vom ersten Teil 62 zum Mittelpunkt und vom zweiten Teil 63 zum Mittelpunkt hin zunimmt.
Vorteilhafterweise wird durch eine solche Quantencomputeranordnung 1 ein besonders starker Magnetfeldgradient erzielt.
Bei den eingefangenen Quantenteilchen 6 handelt es sich beispielsweise um eingefangene Ionen.
Beispielsweise ist der Innenradius R_i in diesem Beispiel in etwa 5 cm und der Außenradius R_o in etwa 25 cm. Die Remanenz B_R jedes der Segmente 3 ist z. B. 1 T. Das Magnetfeld, insbesondere die entsprechende magnetische Flussdichte $\vec{B}$
kann somit berechnet werden durch: $\vec{B} = 2 B_{R} (\frac{1}{R_{i}} - \frac{1}{R_{o}}) (\begin{matrix} 1 & 0 \\ 0 & - 1 \end{matrix}) (\begin{matrix} x \\ y \end{matrix}) .$
Ein Ursprung der Koordinaten x und y befindet sich im Mittelpunkt der Permanentmagnetanordnung 2.
Weiterhin liegen Abstände d der direkt benachbarten eingefangenen Ionen bei etwa 3 µm. Damit kann die magnetische Flussdichte B für jede Position der eingefangenen Ionen berechnet werden. Folglich kann auch die Differenz für bestimmte Übergänge zwischen benachbarten eingefangenen Ionen bestimmt werden.
Eine Frequenzdifferenz von σ_± -Übergängen zwischen direkt benachbarten eingefangenen Ionen ist beispielsweise mindestens 10 kHz und höchstens 100 MHz. σ_± -Übergänge können durch eine links- oder rechtszirkular polarisierte elektromagnetische Welle mit einer Polarisation senkrecht zum lokalen Magnetfeld angeregt sein.
Beispielsweise ist eine Frequenzdifferenz von π-Übergängen zwischen direkt benachbarten eingefangenen Ionen mindestens 1 kHz und höchstens 10 MHz. Ein solcher π-Übergang ist durch eine linear polarisierte elektromagnetische Welle mit einer Polarisation parallel zum lokalen Magnetfeld angeregt.
Im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel der 1 umfasst die Quantencomputeranordnung 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel der 2 eine Permanentmagnetanordnung 2 mit Segmenten 3, die jeweils eine quadratische Form aufweisen.
Jedes Segment 3 hat im Querschnitt die Form eines Quadrats. Die Magnetisierungsrichtungen 4 in Bezug auf die Kanten der Quadrate sind für jedes Segment 3 gleich. Unmittelbar benachbarte Segmente 3 sind gegeneinander verdreht, so dass die Magnetisierungsrichtungen 4 jedes Segments 3 den Winkeln gemäß 1 entsprechen.
In 3 sind die Größen des Magnetfeldes, die durch die Absolutwerte des Magnetfeldes |B| in T repräsentiert sind, auf einer vertikalen Achse in Abhängigkeit von einer Position x in mm auf einer horizontalen Achse dargestellt.
Die horizontale Achse des in 3 dargestellten Diagramms entspricht der x-Achse gemäß den 1 und 2. Die Position x gleich 0 entspricht einem Mittelpunkt der Permanentmagnetanordnung 2 gemäß den 1 und 2.
Bezogen auf den Mittelpunkt der Permanentmagnetanordnung 2 sind die Absolutwerte der magnetischen Flussdichte |B|, d. h. die Größen des Magnetfeldes, symmetrisch. Für negative Positionswerte x weisen die Absolutwerte der magnetischen Flussdichte |B|, d. h. die Größen des Magnetfeldes, eine negative Steigung auf und für positive Positionswerte x eine positive Steigung.
Für einen Bereich um den Mittelpunkt der Permanentmagnetanordnung 2 von ± 250 µm sind die Größenunterschiede des Magnetfeldes annähernd linear. Daraus ergibt sich ein Magnetfeldgradient von in etwa 200 T/m. Der erste Teil 62 und der zweite Teil 63 des weichmagnetischen Materials 60 beginnen ungefähr bei einer x-Position von in etwa -2 mm und in etwa 2 mm. Das heißt, dass der Abstand zwischen dem ersten Teil 62 und dem zweiten Teil 63 entlang der ersten Achse 7 in etwa 4 mm ist.
Ein Quantencomputer 8 gemäß dem Ausführungsbeispiel von 4 umfasst eine Quantencomputeranordnung 1 gemäß einer dem Ausführungsbeispielen der 1 oder 2 sowie eine Quantencomputervorrichtung 9, die sich in einer Kammer 10 befindet. Die Quantencomputervorrichtung 9 ist durch die Kammer 10 mit externen Komponenten des Quantencomputers 8 über eine Vielzahl von Verbindungen 11 verbunden. Die Verbindungen 11 verbinden beispielsweise die Quantencomputervorrichtung 9 mit einer Steuerelektronik 12 und einem klassischen Computer 13.
Die Quantencomputervorrichtung 9 ist beispielsweise dazu ausgebildet im Betrieb eingefangene Quantenteilchen 6, bei denen es sich jeweils um ein Qubit handelt, in einem Raum 5 einzufangen, zu manipulieren und zu messen. Dazu kann die Quantencomputervorrichtung 9 Elektroden, Lichtleiter und/oder interne Elektronik mit elektronischen Vorrichtungen umfassen. Die elektronischen Vorrichtungen können Schaltkreise, integrierte Elektronik und/oder Detektoren, wie Photonendetektoren und/oder Ladungsdetektoren, Steuerungen umfassen. Die interne Elektronik ist beispielhaft für Vorverarbeitung vorgesehen. Diese Komponenten ermöglichen beispielsweise eine Messung des jeweiligen Zustands der Qubits und erlauben Gatteroperationen an den Qubits. Die Quantencomputervorrichtung 9 ist also dazu ausgebildet die eingefangenen Quantenteilchen 6 einzufangen und Operationen und Messungen an den eingefangenen Quantenteilchen 6 durchzuführen.
Die Quantencomputervorrichtung 9 ist in der Kammer 10 montiert, wobei die Kammer 10 eine Ultrahochvakuumkammer, eine Extremhochvakuumkammer und/oder ein Kryostat sein kann. Handelt es sich bei der Kammer 10 um eine Ultrahochvakuumkammer oder eine Extremhochvakuumkammer, ist es möglich, dass die Permanentmagnetanordnung 2 außerhalb der Kammer 10 angeordnet ist. In diesem Fall umgibt die Permanentmagnetanordnung 2 die Kammer 10. Alternativ ist es auch möglich, die Permanentmagnetanordnung 2 innerhalb einer Ultrahochvakuumkammer oder einer Extremhochvakuumkammer oder eines Kryostaten anzuordnen.
Handelt es sich bei der Kammer 10 um einen Kryostaten, ist die Permanentmagnetanordnung 2 beispielhaft innerhalb der Kammer 10 angeordnet (hier nicht dargestellt). Es ist auch denkbar, dass, wenn die Kammer 10 ein Kryostat ist, die Permanentmagnetanordnung 2 auch außerhalb der Kammer 10 angeordnet sein kann (hier nicht dargestellt).
Die Quantencomputervorrichtung 9 ist über die Verbindungen 11 mit der externen Elektronik 12 verbunden. Die externe Elektronik 12 kann sich zumindest teilweise innerhalb und teilweise außerhalb der Kammer 10 befinden. Ferner ist die externe Elektronik 12 mit dem klassischen Computer 13 verbunden.
Die externe Elektronik 12 umfasst beispielsweise Analog-Digital-Wandler sowie Signalgeneratoren wie Radiofrequenzgeneratoren, Mikrowellensignalgeneratoren, Niederfrequenzsignalgeneratoren und/oder Gleichstromsignalgeneratoren. Weiterhin kann die externe Elektronik 12 eine Transistor-Transistor-Logik, TTL, umfassen.
Darüber hinaus kann die externe Elektronik 12 weiterhin zumindest ein Lasersystem umfassen, das dazu ausgebildet ist, die einzufangenden Ionen zu kühlen. Weiterhin kann das Lasersystem dazu ausgebildet sein, einen bestimmten Zustand der eingefangenen Ionen anzuregen.
Der klassische Computer 13 ist beispielsweise dazu ausgebildet digitale Signale zu liefern und zu empfangen. Die digitalen Signale entsprechen Steuersignalen, die für Operationen an den Qubits verwendet werden, sowie Messsignalen, die einem Zustand der Qubits entsprechen.
Die externe Elektronik 12 ist u. a. dazu ausgebildet die digitalen Signale in analoge Signale umzuwandeln und umgekehrt. Damit ist die externe Elektronik 12 dazu ausgebildet die umgewandelten analogen Signale zur Manipulation der Qubits an das Quantencomputervorrichtung 9 zu liefern. Darüber hinaus ist die externe Elektronik 12 dazu ausgebildet gemessene analoge Signale von der Quantencomputervorrichtung 9 an den klassischen Computer 13 zu bereitzustellen oder solche Signale zu verarbeiten, um direkt ein von der Steuerelektronik 12 erzeugtes Antwortsignal zu initiieren.
Der klassische Computer 13 ist beispielhaft dazu ausgebildet mit einem bestimmten Algorithmus, d. h. einer vorgegebenen Quantenberechnung zur Lösung eines bestimmten Problems, versorgt zu werden. Der klassische Computer 13 ist dann dazu ausgebildet einen kompilierten Code, der dem Algorithmus entspricht, in Befehle für die Quantencomputervorrichtung 9 umzuwandeln. Die Befehle werden anschließend über die Steuerelektronik 12 an die Quantencomputervorrichtung 9 weitergeleitet. Weiterhin ist der klassische Computer 13 dazu ausgebildet ein gemessenes Ergebnis des bestimmten Algorithmus zu empfangen.
Beispielsweise sind alle Elemente des Quantencomputers 8, insbesondere alle elektronischen Elemente des Quantencomputers 8, durch eine Atomuhrreferenz synchronisiert.
Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele durch deren Beschreibung beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Ansprüchen einschließt, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht ausdrücklich in den Ansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Referenzzeichenliste

1: Quantencomputeranordnung
2: Permanentmagnetanordnung
3: Segment
4: Magnetisierungsrichtung
5: Raum
6: eingefangene Quantenteilchen
7: erste Achse
8: Quantencomputer
9: Quantencomputervorrichtung
10: Kammer
11: Verbindung
12: externe Elektronik
13: klassischer Computer
100: Ionenfalle
40: Endkappenelektrode
41: erste Endkappenelektrode
42: zweite Endkappenelektrode
50: Substrat
60: Jochstruktur
61: weichmagnetisches Material
62: erster Teil
63: zweiter Teil
d: Abstand
Ri: Innenradius
Ro: Außenradius

Claims

Quantencomputeranordnung (1), umfassend - eine Permanentmagnetanordnung (2), die dazu ausgebildet ist ein Magnetfeld mit voneinander verschiedenen Größen für verschiedene Positionen auf einer ersten Achse (7) zu erzeugen, - einen Raum (5) für zumindest zwei eingefangene Quantenteilchen (6), die entlang der ersten Achse (7) angeordnet sind, und - ein weichmagnetisches Material (61), das von der Permanentmagnetanordnung (2) umgeben ist und dazu ausgebildet ist das von der Permanentmagnetanordnung (2) erzeugte Magnetfeld zu vergrößern.
Quantencomputeranordnung (1) nach Anspruch 1, wobei das weichmagnetische Material (61) ein ferromagnetisches Material ist, das dazu ausgebildet ist durch das von der Permanentmagnetanordnung erzeugte Magnetfeld magnetisiert zu sein.
Quantencomputeranordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei das weichmagnetische Material (61) eine Schmelztemperatur von zumindest 500 °C aufweist.
Quantencomputeranordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das weichmagnetische Material (61) eine Haupterstreckungsrichtung entlang der ersten Achse (7) aufweist.
Quantencomputeranordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei - das weichmagnetische Material (61) eine relative magnetische Permeabilität von mindestens 1000 aufweist, und/oder - das weichmagnetische Material (61) eine Sättigungsflussdichte von mindestens 1 T aufweist.
Quantencomputeranordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei - das weichmagnetische Material (61) Eisen, Kobalt und Vanadium umfasst, und - eine Konzentration von Eisen und Kobalt höher ist als eine Konzentration von Vanadium.
Quantencomputeranordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei eine Änderung der Größen des Magnetfeldes entlang der ersten Achse (7) mindestens 50 T/m ist.
Quantencomputeranordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei - die Permanentmagnetanordnung (2) eine Vielzahl von Segmenten (3), nämlich zumindest vier Segmente (3), umfasst, und - jedes Segment (3) eine Magnetisierungsrichtung (4) aufweist.
Quantencomputeranordnung (1) nach Anspruch 8, wobei die Magnetisierungsrichtungen (4) von Segmenten (3), die in gegenüberliegenden Bereichen angeordnet sind, in entgegengesetzte Richtungen gerichtet sind.
Quantencomputeranordnung (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 9, wobei - die Segmente (3) den Raum (5) in der Form eines Rings umgeben, oder - die Segmente (3) den Raum (5) in der Form einer Kontur eines Polygons umgeben.
Quantencomputeranordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei eine Remanenz jedes der Segmente (3) mindestens 0,1 T und höchstens 1,5 T ist.
Quantencomputeranordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei - das weichmagnetische Material (61) einen ersten Teil (62) und einen zweiten Teil (63) aufweist, und - der erste Teil (62) und der zweite Teil (63) entlang der ersten Achse (7) voneinander beabstandet sind.
Quantencomputeranordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei der erste Teil (62) und der zweite Teil (63) eine Jochstruktur (60) innerhalb der Permanentmagnetanordnung (2) bilden.
Quantencomputeranordnung (1) nach einem der Ansprüche 12 bis 13, weiter umfassend - eine Ionenfalle (100) mit einer ersten Endkappenelektrode (41) und einer zweiten Endkappenelektrode (42), zwischen denen sich der Raum (5) befindet, wobei - der erste Teil (62) als eine erste Endkappenelektrode (41) ausgebildet ist, und - der zweite Teil (63) als zweite Endkappenelektrode (42) ausgebildet ist.
Quantencomputeranordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, weiter umfassend - eine Ionenfalle (100) umfassend zumindest ein Substrat zum Bereitstellen des Raums (5) umfassend zumindest ein Substrat (50), wobei - das zumindest eine Substrat (50) elektrisch isolierend ausgebildet ist, und - der erste Teil (62) und der zweite Teil (63) in dem zumindest einen Substrat (50) eingebettet sind.
Quantencomputeranordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, weiter umfassend - zumindest eine zusätzliche Permanentmagnetanordnung (2), und - zumindest ein zusätzliches weichmagnetisches Material (61), das von der zumindest einen zusätzlichen Permanentmagnetanordnung (2) umgeben ist.
Quantencomputer (8), umfassend eine Quantencomputeranordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, der zur Durchführung von Quantenberechnungen ausgebildet ist.