3He-4He-Entmischungskryostat zur Kopplung ultrakalter Atome und supraleitender Strukturen: Konzeption und Herstellung des supraleitenden Spulensystems

Abstract

Ein vielversprechender Weg zur Realisierung von Prozessoren der Quanteninformationsverarbeitung besteht in der Verwendung von supraleitenden Qubits. Durch deren kurze Schaltzeiten wird die effiziente Durchführung von Quantenalgorithmen ermöglicht. Der gravierenste Nachteil solcher Strukturen liegt allerdings in ihrer kurzen Kohärenzeit im µs-Bereich. Für die Speicherung der Informationen muss somit nach alternativen Strategien gesucht werden. Eine Möglichkeit hierfür besteht in der Verwendung der Quantenzustände ultrakalter Atome, deren Kohärenzzeit mehrere Sekunden beträgt. Durch die Kopplung der supraleitenden Qubits mit den ultrakalten Atomen entsteht ein hybrides Quantensystem, dass die Stärken der jeweiligen Teilsysteme ausnutzt. Zur Realisierung dieses hybriden Quantensystems wird eine Versuchsumgebung benötigt, die den Anforderungen beider Teilsysteme gerecht wird. Dies ermöglicht der im Rahmen dieser Arbeit in Betrieb genommene trockene 3He/4He-Entmischungskryostat mit multiplem optischem Zugang. Zur Kopplung der ultrakalten Atome mit den supraleitenden Strukturen ist es notwendig, die Atome zu fangen, zu kühlen und zum Ort der supraleitenden Qubits zu transportieren. In der vorliegenden Arbeit konnte zu diesem Zweck der Prototyp eines supraleitenden Spulensystems implementiert und getestet werden. Die hierfür notwendigen Konzeptionen und Simulationen werden vorgestellt. Erste Experimente der Team-Kollegen konnten das Laden der magneto-optischen Falle (MOT) des Spulensystems mit Atomwolken von bis zu 1*10^9 Rubidium-Atomen erfolgreich demonstrieren. Durch Umladen der Atome in die rein magnetische Falle der MOT-Spulen und Molassekühlen konnte eine Temperatur der Atomwolke von 90 µK erreicht werden. Die Lebensdauer der Atomwolke in dieser Falle wurde zu 70 s gemessen. Auch die Funktionsfähigkeit des magnetischen Transfers konnte erwiesen werden. Um die Beschränkung des bisherigen Systems durch reduzierte kritische Ströme zu überwinden, wurde ein Konzept für ein Spulensystem basierend auf NbTi-Draht mit deutlich größerem Durchmesser entwickelt.