Die vorliegende Erfindung betrifft eine lonenfalle, ein Verfahren zum Kalibrieren eines Wechselspannungsfeldes einer lonenfalle sowie Verwendungen zum Antrieb einer lonen- falle.

Die Erfindung betrifft insbesondere die Erzeugung einer hochfrequenten, insbesondere im Bereich von 10 bis 100 MHz, Hochspannung, insbesondere im Bereich von 100 bis über 1000 V, mit der eine lonenfalle des auch als Paulfalle bekannten Typs unabhängig von ihrer geometrischen Ausführung betrieben wird und eine zugehörige lonenfalle. Insbeson- dere betroffen sind solche lonenfallen, die in laserspektroskopischen Anwendungen wie ionenfallenbasierte Frequenznormale oder ionenfallenbasierte Quantencomputer eingesetzt werden.

Insbesondere in laserspektroskopischen Anwendungen werden lonenfallen bisher beispielsweise von Resonanztransformatoren aus handgewickelten Kupferluftspulen in Kupf- erzylindern angetrieben. Der gemeinte Aufbau wird als“helical resonator” bezeichnet und beispielsweise vom folgenden Fachartikel beschrieben: Siverns, J.D., Simkins, L.R., Weidt, S. et al. Appl. Phys. B (2012) 107: 921. Als“tank Circuit” beschrieben taucht ein ähnlicher Resonator auch beispielsweise in der Patentanmeldung EP 1 509 943 A2 auf. Ferner ist es aus der veröffentlichten Patentanmeldung US 2012/01 12056 A1 bekannt, zumindest bei niedriger Frequenz betriebene lonenfallen auch mit einem LC-Resonator aus massengefertigten Komponenten (Spule und Kondensator) aufzubauen, was ebenfalls als „tank Circuit“ bezeichnet wird. Diese Art der Ansteuerung hat für die vorliegende Anwendung den Nachteil einer geringeren Strombelastbarkeit und einer geringeren Güte, was den im Folgenden beschriebenen Vorteil einer Ansteuerung mittels sogenannter„tank cir- cuits“ begrenzt.

Die Ansteuerung mittels eines Resonanzschwingkreises hat den Vorteil, störendes, elektrisches Rauschen jenseits der Antriebsfrequenz auszufiltern und die aufgrund der parasitären Kapazitäten der lonenfalle und üblicherweise verwandten Vakuumdurchführungen in den Bereich der Leistungselektronik gehende Antriebsleistung zu verringern.

In der diesen Vorteil durch hohe Güte maximierender Ausführung hat diese Art der Ansteuerung allerdings den Nachteil eines großen Volumens und Gewichts, einer schlechten Kontrolle und Stabilität der Resonanzfrequenz sowie des schlecht massenfertigungstauglichen Aufbaus.

Es ist hierbei möglich, die Amplitude der so an die lonenfallenelektroden angelegten Spannung zu messen und zu regeln. Dies ist bisher nur in der naheliegenden Ausführung bekannt, dass sich der Spannungsfühler außerhalb der Vakuumkammer befindet, in der die lonenfalle betrieben wird, wie die veröffentlichte Patentanmeldung US 2017/0186595 A1 offenbart.

Andere Elektroden können auf ein Gleichstrompotential gelegt werden. Dabei ist es Stand der Technik, bei diesen, aber nicht bei den auf Wechselspannungspotential liegenden Elektroden einen RC-Tiefpass zum Filtern des Spannungsrauschens einzusetzen. Dieser Tiefpass kann sich außer- oder innerhalb der Vakuumkammer, in der die lonenfalle betrieben wird, befinden. Letzteres wurde beschrieben in Pyka, Karsten & Herschbach, Norbert & Keller, Jonas & Mehlstäubler, Tanja. (2013). A high-precision segmented Paul trap with minimized micromotion for an optical multiple-ion clock. Applied Physics B. 1 14. 10.1007/S00340-013-5580-5.

Die Gründe für die zuvor beschriebene Bauart sind, dass als fertig kaufbare Komponenten gefertigte Induktivitäten regelmäßig keine ausreichenden Güten aufweisen und daher keinen damit gebauten Schwingkreis (Resonator) ermöglichen, besonders nicht im Bereich der Leistungselektronik. Um geringe Verluste und damit hohe Güten zu ermöglichen, müssen Leiter mit hoher Oberfläche, d.h. letztendlich mit großem Querschnitt, von dem aufgrund des Skineffekts nur die äußersten 1 bis 10 Mikrometer benutzt werden, und hoher Oberflächenqualität ohne magnetisches Kernmaterial, das üblicherweise verlustbehaftet ist, verwendet werden. Entsprechend ist es ein nichttriviales Problem, eine ebenso gute oder bessere Alternative zu finden, obwohl sich Luftspulen aus bis zu fingerdicken Kupferdrähten nur manuell und mit erheblichen Fertigungstoleranzen hersteilen lassen. lonenfallenbasierte Quantencomputer beruhen üblicherweise auf dem Vorhaben, Ionen in einer großen lonenfalle von einem Ort an den anderen bewegen zu können. Die meisten dabei auftretenden Aufgaben, wie beispielsweise eine Ansammlung mehrerer Ionen in diejenigen Ionen, die bewegt werden sollen, und alle anderen aufzuspalten oder wie die Durchführung der Bewegung und das Zusammenführen mit sich bereits am Zielort befindlichen Ionen, haben ausreichende, bereits erforschte Lösungen, so dass sie für diesen Artikel belanglos sind. Allerdings erfordert dieses Vorhaben, dass man eine große lonenfalle bereitstellt, wobei eine große lonenfalle derart verstanden wird, dass sie lange Strecken, entlang denen Ionen gefangen gehalten werden können, bereitstellt.

Eine große lonenfalle wird allerdings eine große Kapazität haben, was zu unrealisierbar großen Strömen und Leistungen führen würde, wenn man diese aus einer einzelnen Quelle speisen würde. Eine Speisung aus mehreren der bekannten Resonanztransformatoren ist hingegen schwer vorstellbar, weil deren Fertigungstoleranzen es in der Regel nicht erlauben würden, sie synchron, das heißt also bei derselben Frequenz und noch dazu phasenrichtig, miteinander zu betreiben.

Dieses Problem hat eine publizierte aber bislang unrealisierte Lösung im wissenschaftlichen Fachartikel Lekitsch, Bjoern & Weidt, Sebastian & Fowler, Austin & Molmer, Klaus & J. Devitt, Simon & Wunderlich, Christof & Hensinger, W. (2017). Blueprint for a microwave trapped ion quantum Computer. Science Advances. 3. e1601540. 10.1 126/sci- adv.1601540.. Die Idee ist eine, wenngleich geringfügige, Miniaturisierung der bekannten Kupferluftspulen und Kopplung mit einstellbaren Trimmkondensatoren, mit denen die Resonanzfrequenz eingestellt werden kann.

Die vorbekannten Lösungen sind allesamt sehr begrenzt tauglich zur Massenfertigung. Ferner wird eine maximale Entfernung zur Wand der Vakuumapparatur durch die für jeden derartigen Antrieb nötigen Vakuumdurchführungen beschränkt. Außerdem sind die Ausmaße der bisher vorgeschlagenen Antriebe zu groß, um einzelne Elektroden einer linearen lonenfalle mit individuell steuerbarer Wechselspannung zu versorgen.

WO 2015/128438 A1 offenbart ein System zum Einfangen geladener oder polarer Teilchen mit einem Kryostaten und einer Oberflächenelektrodenfalle zum Fangen von geladenen oder polaren Partikeln. Die Oberflächenelektrodenfalle umfasst ein Siliziumsubstrat mit einer Vorderseite und einer Rückseite. Auf der Vorderseite des Siliziumsubstrats sind planare Elektroden ausgebildet, die ausgebildet sind, ein Einfangpotential zum Einfangen der geladenen oder polaren Partikel über den planaren Elektroden zu erzeugen. Die planaren Elektroden umfassen eine erste Radiofrequenzelektrode, die sich im Wesentlichen parallel zu der vorderen Oberfläche des Substrats erstreckt und angrenzend an, und elektrisch isoliert von, der ersten Hochfrequenzelektrode ist. Die Oberflächenelektrodenfalle ist im Kryostaten angeordnet und der Kryostat ist zur Kühlung der Oberflächenelektrodenfalle auf oder unter eine Temperatur von 150 K eingerichtet.

US 201 1/0290995 A1 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Einfangen geladener Teilchen und zum Durchführen kontrollierter Wechselwirkungen zwischen ihnen. Die Vorrichtung umfasst ein Substrat und HF-Elektroden und dedizierte Gleichstromelektroden, die auf dem Substrat angeordnet und konfiguriert sind, um ein Einfangpotential zum Einfangen der geladenen Partikel über dem Substrat zu erzeugen. Die HF- und dedizierten Gleichstromelektroden umfassen mindestens eine HF-Einfangelektrode, die so konfiguriert ist, dass sie mit einer HF-Spannung betrieben wird, um zum Einfang potential beizutragen, eine Anordnung von zwei oder mehr Einfangstellen-Gleichstromelektroden, die so konfiguriert sind, dass sie mit einer Gleichspannung vorgespannt sind, um zum Einfangpotential beizutragen, und eine erste individuell ansteuerbare HF-Steuerelektrode, die zwischen einem ersten Paar der zwei oder mehr Einfangstellen-Gleichstromelektroden angeordnet ist. Die erste HF-Steuerelektrode ist so konfiguriert, dass sie individuell durch eine einstellbare HF-Spannung angesteuert wird, so dass das Einfangpotential über und zwischen dem ersten Paar von Einfangstellen-Gleichstromelektroden separate Ladungsteilchenfallen bildet, die dazu ausgelegt sind, geladene Teilchen darin einzufangen, wenn die einstellbare HF- Spannung einen ersten Wert annimmt und eine Ladungsteilchen-Wechselwirkungsfalle ausbildet, die zum Durchführen kontrollierter Wechselwirkungen zwischen geladenen Teilchen geeignet ist, wenn die einstellbare HF-Spannung einen zweiten Wert annimmt.

US 2004/0132083 A1 offenbart eine lonenfallenvorrichtung mit einem lonenfallenraum, der von einer Vielzahl von Elektroden umgeben ist; einen Flugzeit-Massenanalysator zum Bestimmen eines Masse-Ladungs-Verhältnisses von Ionen, die aus dem loneneinfangraum ausgestoßen werden; einen Einfangspannungsgenerator zum Erzeugen einer lonenein- fang-HF-Spannung an mindestens einer der mehreren Elektroden; einen Ausstoßspannungsgenerator zum Erzeugen einer Ausstoßspannung an mindestens eine der Vielzahl von Elektroden, um ein elektrisches lonenausstoßfeld zum Ausstoß von Ionen zu bilden, die in dem loneneinfangraum eingefangen sind; und eine Steuerung zum Stoppen der lo- neneinfang-HF-Spannung zu einem Zeitpunkt, zu dem Ionen in dem loneneinfangraum eingefangen werden und die loneneinfang-HF-Spannung sich in einer vorbestimmten Phase befindet, und zum Anlegen der lonenausstoßspannung für eine vorbestimmte Zeitspanne nach dem Stoppen der loneneinfang-HF-Spannung. Hierbei sind die vorbestimmte Phase und die vorbestimmte Periode vorbestimmt, so dass, wenn die loneneinfang-HF- Spannung bei der vorbestimmten Phase gestoppt wird und die vorbestimmte Periode verstrichen ist, die Spannung der mindestens einen der Elektroden, an die die loneneinfang- spannung erzeugt wird, unabhängig von der Amplitude der HF-Ioneneinfangspannung, wenn diese angehalten wird, ein nahezu fester Wert wird. Somit variiert die anfängliche kinetische Energie der ausgestoßenen Ionen nicht mit der Amplitude des loneneingangs- postentials, bevor es beendet wird, und eine genaue Bestimmung des Masse- zu-Ladungs- verhältnisses der Ionen wird ermöglicht.

US 2017/0221693 A1 offenbart eine lonenfallenvorrichtung mit einem Verfahren zu ihrer Herstellung, die ein Substrat, eine erste und eine zweite HF-Elektrodenschiene, eine erste und eine zweite Gleichstromelektrode auf der oberen oder unteren Seite des Substrats und einen Laserdurchgang umfasst, der mit der lonenfallenzone von der Außenseite der ersten oder zweiten Seite des Substrats verbunden ist. Das Substrat enthält eine loneneinfang- zone im Raum, die durch die durch einen Abstand in Bezug auf die Breitenrichtung der lonenfallenvorrichtung voneinander getrennte erste und zweite Seite des Substrats definiert ist. Die erste und die zweite HF-Elektrodenschiene sind in Längsrichtung der lonenfallenvorrichtung parallel angeordnet. Die erste RF-Elektrode ist auf der Oberseite der ersten Seite angeordnet, die zweite DC-Elektrode ist auf der Unterseite der ersten Seite angeordnet, die erste DC-Elektrode ist auf der Oberseite der zweiten Seite angeordnet und die zweite RF-Elektrodenschiene ist auf der Unterseite der zweiten Seite angeordnet.

Vor diesem Hintergrund war es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte lonenfalle, sowie zugehörig ein verbessertes Verfahren zum Kalibrieren eines Wechselspannungsfeldes einer lonenfalle sowie Verwendungen zum Antrieb einer lonenfalle bereitzustellen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß in einem ersten Aspekt durch eine lonenfalle mit wenigstens zwei Elektroden, die dazu ausgebildet sind, ein elektrisches Feld zu erzeugen, das zumindest in einem Bereich ein attraktives ponderomotives Potential umfasst, einem elektrischen Resonator und einer Vakuumkammer gelöst. Der elektrische Resonator ist dazu eingerichtet, Elektroden der lonenfalle mit einer Wechselspannung zu versorgen, und der elektrische Resonator weist einen Schwingkreis auf. Der Schwingkreis ist innerhalb der Vakuumkammer angeordnet. Der Resonator weist wenigstens ein Element auf, ausgewählt aus der Liste bestehend aus: ein Quarzkristall, ein keramischer Filter, ein piezoelektrisches Bauelement und ein Oberflächenwellenfilter.

Dadurch, dass der Schwingkreis innerhalb der Vakuumkammer angeordnet ist, entfällt die Notwendigkeit, die zum Betrieb der Elektroden erzeugte Wechselspannung in die Vakuumkammer hinein mittels einer sogenannten Vakuumdurchführung einzuführen. Die Vakuumdurchführung, die typischerweise Koaxialkabel mit signifikanter Kapazität umfassen, ist ein Hauptfaktor der parasitären Kapazität, der entsprechend erfindungsgemäß vorteilhaft wegfällt. Die parasitäre Kapazität der Vakuumdurchführung erzeugt eine hohe Scheinleistung, die wiederum hohe Ströme und dicke Kabel zur Folge hat. Dadurch, dass der Schwingkreis innerhalb der Vakuumkammer angeordnet ist, ist demnach der Gesamtenergiebedarf der lonenfalle geringer. Der innerhalb der Vakuumkamnner angeordnete Schwingkreis hat Vorteile, was die Länge von Leitungen betrifft, aber auch darüber hinaus dadurch, dass dünnere Kabel möglich sind, ist eine weitere Miniaturisierung der lonenfalle möglich. Insbesondere ist möglich, dass Schwingkreis und elektronische Ansteuerung der eigentlichen lonenfalle in der gleichen Größenordnung wie die Elektroden sind. Demnach ist eine nahezu unbeschränkte Aneinanderreihung von Elektroden und zugehöriger Ansteuerung im Sinne von Modulen möglich.

In diesem Zusammenhang wird mit lonenfalle die gesamte Vorrichtung, die gebildet ist aus der eigentlichen lonenfalle, innerhalb der die Ionen gehalten werden können, und deren Ansteuerung, Wechselspannungsversorgung einschließlich Resonator und Treiber, verstanden.

In einer Ausführungsform ist die lonenfalle dazu ausgebildet, Ionen einer effektiven Temperatur mit höchstens 1 K innerhalb der Vakuumkammer zu behalten.

Vorzugsweise werden geladene, insbesondere einfach geladene, wasserstoffähnliche Ionen innerhalb der Vakuumkammer behalten. Besonders bevorzugt sind einfach geladene Calciumionen.

Mit effektiver Temperatur wird die Temperatur bezeichnet, bei der ein physikalischer Freiheitsgrad im thermischen Gleichgewicht eine mittlere Energie hat, die der kinetischen und potentiellen Energie eines Bewegungsfreiheitsgrades eines oder mehrerer Ionen in der lonenfalle entspricht. Da diese sich für die verschiedenen Bewegungsfreiheitsgrade unterscheiden kann, wird zwecks Eindeutigkeit als effektive Temperatur diejenige gewählt, die den geringsten Wert annimmt. Dies entspricht bei technisch geschicktem Aufbau üblicherweise, aber nicht notwendigerweise, dem Bewegungsfreiheitsgrad, dessen Restbewegung die Funktion des mittels der lonenfalle realisierten Geräts am kritischsten einschränkt. Das Erreichen einer effektiven Temperatur von unter oder auch erheblich unter 1 K wird in der bevorzugten Ausführung mit laseroptischen Mitteln erzielt, beispielsweise und ohne darauf beschränkt zu sein mittels dem in der Patentschrift US 6,684,645 B2 offenbarten Verfahren.

In einer Ausführungsform weist der Resonator wenigstens ein Element auf, ausgewählt aus der Liste bestehend aus: ein Quarzkristall, ein keramischer Resonator, ein keramischer Filter, ein piezoelektrisches Bauelement, ein Oberflächenwellenfilter und ein MEMS-Bau- teil.

Als eine Folge der erfindungsgemäßen Anordnung ist es möglich, Resonatoren mit wesentlich geringerer Leistungsaufnahme vorzusehen, als dies bei herkömmlichen lonenfal- len der Fall war. Für den beispielhaften Fall eines Quarzkristalles ist eine Leistungsaufnahme von deutlich weniger als 30 W, vorzugsweise im Bereich von weniger als 1 W und besonders bevorzugt sogar von weniger als 1 mW, zu erwarten, wobei eine entsprechend niedrige Spezifikation zum Garantieren der Genauigkeit ausreicht.

In einer Ausführungsform ist der elektrische Resonator dazu eingerichtet, Elektroden der lonenfalle mit einer Wechselspannung in einem Frequenzbereich zwischen 1 MHz und 1 GHz zu versorgen.

In einer Ausführungsform ist die Vakuumkammer dazu eingerichtet, ein Ultrahochvakuum in ihrem Inneren aufrechtzuerhalten, insbesondere einen Druck von zwischen 10 ⁶ mbar und 10 ¹² mbar und besonders bevorzugt einen Druck von höchstens 10 ¹⁰ mbar aufrechtzuerhalten. In einer Ausführungsform weist die lonenfalle einen Treiber auf, der dazu eingerichtet ist, den elektrischen Resonator anzutreiben und als Hochimpedanz- und/oder Hochspannungstreiber ausgebildet ist.

Als Treiber werden hier sämtliche geeignete elektrische Schaltkreise oder elektronische Komponenten verstanden, die in der Lage sind, den elektrischen Resonator anzutreiben. Die Ausbildung als Hochimpedanz- und/oder Hochspannungstreiber sorgt dafür, dass die Störung des lonenfallenantriebs gering ist und eine Anpassung der Leistungen des Treibers und des Resonators erfolgt. Vorzugsweise ist der Treiber innerhalb der Vakuumkammer angeordnet.

In einer Ausführungsform weist der elektrische Resonator ein frequenzverstellendes Ele- ment auf. Das frequenzverstellende Element kann sämtliche fachmännisch bekannten Ausgestaltungen annehmen und dient insbesondere der Kompensation von Alterungserscheinungen, da der elektrische Resonator typischerweise seine Resonanzfrequenz im Laufe der Zeit ändert.

In einer Ausführungsform weist die lonenfalle ferner einen Regelkreis zur Amplitudensta- bilisierung der Spannung über Elektroden der lonenfalle auf, wobei der Regelkreis ein spannungsempfindliches Element umfasst, das innerhalb der Vakuumkammer angeordnet ist.

In einer Ausführungsform wird die Antriebsfrequenz der lonenfalle innerhalb der Vakuumkammer erzeugt. Nachdem der Regelkreis ein spannungsempfindliches Element umfasst, das innerhalb der Vakuumkammer angeordnet ist, beziehungsweise die Antriebsfrequenz der lonenfalle innerhalb der Vakuumkammer erzeugt wird, werden die gleichen Vorteile, nämlich bezüglich der Vakuumdurchführung und Leitungsdicke, erreicht, wie sie bei den weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsformen erreicht werden. Die stabilisierte Amplitude der Spannung über die Elektroden, beziehungsweise auch die Erzeugung der Antriebsfrequenz, hat zur Folge, dass das ponderomotive Potential innerhalb der lonenfalle besonders präzise und stabil ausgebildet ist, sodass die Ionen innerhalb der lonenfalle besonders zuverlässig gehalten werden können. In einer Ausführungsform ist der Resonator dazu eingerichtet, die Elektroden der lonenfalle mit identischer Frequenz und gleicher oder entgegengesetzter Phase, jedoch mit voneinander unterschiedlichen Amplituden zu beaufschlagen.

Dadurch, dass die Amplitude der verschiedenen Elektroden der lonenfalle unterschiedlich beaufschlagt wird, ist eine Anpassung des entstehenden ponderomotiven Potentials mög- lieh, das beispielsweise der Geometrie der Anordnung Rechnung trägt. Die Amplitudenanpassung ermöglicht demnach, eine elektronische Nachjustierung des elektrischen Potentials durchzuführen. In dieser Ausführungsform ist es besonders einfach dadurch möglich, dass die Amplituden, die durch den Resonator an die Elektroden angelegt werden, unterschiedlich sind. In einer Ausführungsform ist der Resonator dazu eingerichtet, eine geometrische Fertigungsabweichung der Elektroden durch eine Wahl der Amplituden zu kompensieren.

Entsprechend wird erfindungsgemäß gemäß dieser Ausführungsform eine größere Toleranz gegenüber Fertigungsabweichungen dadurch ermöglicht, dass diese durch geeignete Wahl der Amplituden kompensiert wird. Entsprechend kann die Fertigung der lonenfalle und insbesondere der Elektroden vergünstigt werden, da diese höhere Fertigungsabweichungen erlauben.

In einer Ausführungsform ist die lonenfalle als lineare lonenfalle ausgebildet, derart, dass ein Potential entlang einer Längsachse über eine Linie ein Minimum annimmt.

Die gemäß dieser Ausführungsform gebildete lineare lonenfalle ermöglicht, dass sich die Ionen entlang der Längsachse, entlang der das Potential über eine Linie ein Minimum annimmt, bewegen können. Damit ist eine lineare Bewegung der Ionen in der lonenfalle entlang der Längsachse möglich. Unter dem Minimum, das das Potential entlang einer Linie in der Längsachse annimmt wird verstanden, dass das Potential bezüglich aller anderen Richtungen an den Punkten der Linie ansteigt. Es muss somit nicht unbedingt ein einheit- liches minimales Potential entlang der Linie sein, solange der Potentialverlauf entlang der Linie niedriger als bezüglich einer anderen Richtung ist.

In einer Ausführungsform weist die lonenfalle ferner Gleichstromelektroden auf, wobei die Gleichstromelektroden dazu eingerichtet sind, zusätzlich zu einem bestehenden, pondero- motivem Potential, das entlang der Längsachse attraktiv wirkt, ein in dieser Kombination auf einen Punkt attraktiv wirkendes Potential zu erzeugen, sowie insbesondere, mittels geeigneter Ansteuerung der Gleichstromelektroden, eine Verschiebung des Punktes entlang der Längsachse zu bewirken.

Dadurch, dass die Verschiebung des Punktes, auf den das attraktiv wirkende Potential erzeugt wird, einstellbar ist, ist eine Bewegung der Ionen in der lonenfalle definiert dadurch möglich, dass die Gleichstromelektroden passend angesteuert werden. Anders ausgedrückt wird der Punkt, zu dem das Potential anziehend wirkt, durch die Ansteuerung der Gleichstromelektroden verschoben, was besonders für den Einsatz in Quantencomputern besonders vorteilhaft ist.

In einer Ausführungsform weist die lonenfalle zwei sich kreuzende lineare Achsen, die Längsachse und eine Querachse, auf, entlang derer das Potential über eine Linie ein Minimum annimmt und die sich an einem Kreuzungspunkt schneiden.

Durch die Längsachse und die Querachse, die sich an einem Kreuzungspunkt schneiden, ist es nicht nur möglich, die Ionen entlang der Längsachse zu bewegen, sondern auch eine bewusste Richtungsentscheidung an dem Kreuzungspunkt herbeizuführen. Dies erfolgt über geeignete Ansteuerung der Elektroden, die das Potential entsprechend adaptieren. Durch entsprechende Anordnung und Steuerung der Elektroden kann das Verhalten eines Quadrupols geschaltet werden, der geometrisch an einem Kreuzungspunkt unmöglich ist. Gemäß dieser Ausführungsform wird demnach eine näherungsweise Umsetzung des idealen Quadrupols umgesetzt, die das Anpassen des Gesamtpotentials je nach Aufenthaltsort ermöglicht. Die Kreuzung der Längsachse und der Querachse kann vorzugsweise im rechten Winkel, das heißt mit etwa 90°, erfolgen, wobei auch davon abweichende Winkel zwischen Längsachse und Querachse vorstellbar sind.

In einer Ausführungsform ist wenigstens ein Teil der Elektroden als Linearelektroden ausgebildet, in diesem Zusammenhang wird als eine Linearelektrode vorzugsweise als Elektroden verstanden, bei denen eine Elektrodenlänge signifikant, das heißt um beispielsweise einen Faktor 5 und mehr, größer als die Elektrodenbreite entlang der Längs- oder Querachse ausgeführt ist.

In einer Ausführungsform sind die Elektroden innerhalb von mindestens zwei im Wesentlichen parallelen Schichten angeordnet, wobei der für das Einfangen der Ionen nutzbare Bereich in einem Raum zwischen den jeweils äußersten der mindestens zwei Schichten ausgebildet ist.

Unter im Wesentlichen parallelen Schichten wird hierbei verstanden, dass die Ebenen, die durch die Schichten beschrieben werden, voneinander um einen Winkel von vorzugsweise weniger als 10°, besonders bevorzugt weniger als 5° und insbesondere höchstens 1 ° abweichen. In dem Fall von zwei parallelen Schichten ist der für das Einfangen der Ionen nutzbare Bereich zwischen den beiden parallelen Schichten ausgebildet. Für den Fall, dass mehr als zwei parallele Schichten angeordnet sind, ist der Raum entsprechend in Abhängigkeit der Anordnung der weiteren Schichten zwischen den äußersten Schichten ausgebildet. In einer Ausführungsform sind diagonal gegenüberliegende Bereiche der äußersten Schichten als Gleichpole und direkt gegenüberliegende oder benachbarte Bereiche als Gegenpole der Wechselspannungsversorgung des Resonators ausgebildet, so dass ein Quadrupol ausgebildet wird.

Dadurch, dass ein Quadrupolwechselfeld ausgebildet wird, wird eine Umkehrung des Vor- Zeichens der Spannung zu einem Umpolen des elektrischen Potentials führen, so dass das zugehörige ponderomotive Potential attraktiv auf einen Punkt zwischen den gegenüberliegenden Schichten auf die Ionen wirkt.

In einer Ausführungsform weisen die Elektroden eine fingerartige Struktur auf, wobei jeder der Finger durch je einen Resonator unabhängig ansteuerbar ist. Auch die gleichzeitige Ansteuerung einer Gruppe von nicht notwendigerweise benachbarten Fingerelektroden durch denselben Resonator ist möglich.

In einer Ausführungsform umfasst wenigstens eine der Gruppen der Finger gleichmäßig beabstandete Finger, wobei benachbarte Finger in jeweils unterschiedlichen Gruppen enthalten sind. In einer Ausführungsform ist eine erste Anzahl Resonatoren vorgesehen, wobei jeder der Resonatoren vorzugsweise eine Gruppe mehrere der Finger ansteuern kann, wobei die Gruppe der Finger, die von einem bestimmten der Resonatoren ansteuerbar sind, um jeweils die erste Anzahl an Fingern beabstandet sind, so dass wenigstens eine Anzahl von Fingern, die der ersten Anzahl minus eins entspricht, zwischen je zwei Fingern, die von dem gleichen Resonator angesteuert werden, angeordnet ist.

Die erste Anzahl der Resonatoren ist vorzugsweise derart gewählt, dass ein Ion jeweils nur überwiegend den Einfluss des Feldes eines Fingers, der durch einen bestimmten Resonator angesteuert wird, spürt, das heißt, dass ein hinreichender Abstand des Ions zu allen weiteren Fingern besteht. Dies rührt daher, dass Ionen überwiegend Felder der sich in der näheren Umgebung befindlichen Finger spüren, so dass eine parallele Ansteuerung weiter entfernter Resonatoren keine Auswirkung auf diese Ionen hat. Vorzugsweise dient diese gruppierte Anordnung der Resonatoren der Reduktion der Bauteile und damit der Komplexität der lonenfalle. In einer Ausführungsform ist ein Zwischenraum zwischen Fingern der fingerartigen Struktur ausgebildet. Der Zwischenraum kann beispielsweise durch Fräsen ausgebildet sein, allerdings sind auch andere Herstellungsverfahren denkbar. Hierbei kann ein Verbindungssteg zwischen zwei gegenüberliegenden Fingern teilweise oder sogar vollständig weggelassen werden, sodass jede der Schichten, der die Elektroden darstellt, bzw. enthält, in zwei Stücke, bzw. in eine Anzahl von Stücken, die der Anzahl der Finger entspricht, zerfallen würde.

In einer Ausführungsform ist der Zwischenraum wenigstens teilweise, insbesondere gänzlich, metallisiert. Dadurch kann der die lonenfallenfunktion potentiell beeinträchtigende Einfluss von elektrischen Ladungen, die sich typischerweise auf Isolatoren befinden, minimiert werden. Isolatoren können beispielsweise auf den erfindungsgemäß als Zwischenraum ausgebildeten Flächen und unterhalb der metallisierten Flächen ausgebildet sein.

Insbesondere ermöglicht eine individuelle Ansteuerung der Elektrodenfinger auch mit Wechselspannung neue Möglichkeiten bei der Auslegung und Anpassung des in der lo- nenfalle wirkenden Potentials. In einer Ausführungsform ist die lonenfalle modular aufgebaut, insbesondere sind mehrere Elektroden und mehrere Resonatoren modular aneinander montierbar. Damit ist die lonenfalle nahezu beliebig skalierbar und eignet sich so besonders für den Einsatz in Quantencomputern. Besonders vorteilhaft ist hier, dass die erfindungsgemäß mögliche Miniaturisierung des Resonators, der ebenfalls in der Vakuumkammer angeordnet ist, eine Reduk- tion des Platzbedarfes zur Folge hat, der sich dann näherungsweise in der Größenordnung der Elektroden bewegt.

In einer Ausführungsform sind benachbarte Module von Elektroden in der gleichen Ebene und/oder mit um etwa 90° gegeneinander gedrehten Ebenen angeordnet, wobei vorzugsweise eine Längsachse bzw. eine Querachse des einen Moduls der Längsachse oder der Querachse des benachbarten Moduls entspricht. Mit etwa 90° ist im Rahmen dieser Offenbarung der Bereich von +/- 20° um den rechten Winkel von 90° bezeichnet, vorzugsweise der Bereich von +/- 10° um 90° und besonders bevorzugt der Bereich von +/- 5° um 90°.

In einer Ausführungsform sind die benachbarten Module derart ausgebildet, dass Ionen entlang der Längsachse bzw. der Querachse zwischen benachbarten Modulen bewegbar sind.

Die Verdrehung der Ebenen gegeneinander, beispielsweise um etwa 90° verdreht, ermöglicht, dass ein modularer Aufbau der lonenfalle eine Stapelung der Elektroden in drei Dimensionen und damit nicht lediglich in einer Ebene ermöglicht. Damit ist ein besonders effizienter Aufbau der lonenfalle möglich. In einer Ausführungsform sind die Module somit in drei Dimensionen stapelbar anordenbar. Gemäß einem weiteren Aspekt wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Kalibrieren eines Wechselspannungsfeldes einer lonenfalle, insbesondere einer Einzelionenfalle und besonders einer lonenfalle nach gemäß dem ersten Aspekt oder einer als Ausführungsform beschriebenen Ausgestaltung der lonenfalle gemäß dem ersten Aspekt gelöst. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf: i) Einspeisen einer Wechselspannung zum Antrieb der lonenfalle, ii) Einspeisen einer zusätzlichen Wechselspannung, die derart gewählt ist, dass sie zu einer Vibrationsfrequenz eines Ions in der lonenfalle passt, iii) Bestimmen einer erhöhten Heizrate des Ions in der lonenfalle aufgrund der zusätzlich eingespeisten Wechselspannung.

Die Heizrate eines Ions, die auch als Aufheizrate bezeichnet wird, ist, bezogen auf eine quantisierte Bewegungsachse, die Anzahl der Bewegungsquanten, die es pro Zeiteinheit gewinnt. Beispielsweise ist solch eine Zunahme im Mittel normalerweise aufgrund einer Rauschleistung des elektrischen Feldes am lonenaufenthaltsort bei dessen Bewegungsfrequenz gegeben, auch wenn es regelmäßig ein technisches Ziel ist, diese Aufheizrate gering zu halten.

Ein Ion befindet sich in einer lonenfalle in einem näherungsweise harmonischen Potential, das nur quantisierte Änderungen des Bewegungszustandes erlaubt. Gegebenenfalls sind, wenn mehrere Ionen in dem Potential der lonenfalle sind, deren Bewegungen miteinander gekoppelt, was das Grundprinzip der Quantencomputer bedingt, nämlich, dass ein Informationsaustausch zwischen diesen miteinander gekoppelten Ionen möglich ist. In Abhängigkeit von der Temperatur der Ionen in der lonenfalle ist beispielsweise eine Dopplerkühlung oder eine Seitenbandkühlung bekannt. Verfahren zur Bestimmung der effektiven Temperatur der Ionen in der lonenfalle sowie eine ausführliche Diskussion der Heizrate und der Messung der Heizrate der Ionen findet sich beispielsweise in der Dissertation von Thomas W. Deuschle mit dem Titel„Kalte lonenkristalle in einer segmentierten Paul-Falle“ aus dem Jahr 2007.

In einer Ausführungsform weist das Verfahren weiter ein Wiederholen der Schritte des Ein- speisens der Wechselspannung, des Einspeisens der zusätzlichen Wechselspannung und des Bestimmens der erhöhten Heizrate unter Änderung eines Parameters, insbesondere einer Ansteuerungsamplitude einer Wechselstromelektrode, auf.

In einer Ausführungsform weist das Verfahren weiter den folgenden Schritt auf: Berechnen eines genäherten Gradienten der Heizrate bezüglich der Änderung des Parameters mittels der bestimmten Heizraten.

In einer Ausführungsform weist das Verfahren weiter ein Wiederholen der Schritte des Einspeisens der Wechselspannung, des Einspeisens der zusätzlichen Wechselspannung, des Bestimmens der erhöhten Heizrate und des Berechnens des genäherten Gradienten der Heizrate unter iterativer Änderung des Parameters zum Auffinden eines Zielwertes des Parameters auf, wobei insbesondere der berechnete Gradient der Heizrate minimiert ist.

Erfindungsgemäß wird durch das Verfahren demnach das Wechselspannungsfeld einer lonenfalle derart kalibriert, dass ein Gradient der Heizrate, der bei einer Parametervariation auftritt, minimiert ist. Damit ist der Zielwert des Parameters, der beispielsweise die Ansteuerungsamplitude sein kann, erreicht. Das erfindungsgemäße Verfahren kann vorzugsweise in regelmäßigen Abständen durchgeführt werden, um sicherzustellen, dass die lonenfalle zu jeder Zeit optimal kalibriert ist und die Heizrate, die insbesondere eine Fehlerquelle für die Bestimmung der Zustände der Ionen darstellt, minimal ist. Anders ausgedrückt, an dem Zielwert des Parameters ändert sich die Heizrate bei einer Änderung des Parameters besonders wenig.

Geeignete Methoden stellen beispielsweise Minimierungsalgorithmen, wie die Methode des steilsten Gradienten („Gradient Descent Method“) oder der Methode konjugierter Gradienten („Conjugate Gradient Method“) unter geeignet gewählten Randbedingungen oder mit Zusatzkosten („penalties“) für die Veränderung von Amplituden von entfernten bzw. am lonenort wenig bewirkenden Elektroden, wobei dann, wenn der Gradient hinreichend klein ist, ein hinreichend guter Parameter gefunden wird.

Auch andere Minimierungsverfahren, insbesondere solche, die gradientenfrei sind und auch ohne näherungsweise Bestimmung von Gradienten funktionieren sowie solche, die zusätzlich die Bestimmung einer nächsthöheren Ableitung, das heißt der Hesse-Matrix, erfordern, sind vorteilhaft einsetzbar.

Gemäß einem weiteren Aspekt wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch eine Verwendung eines Quarzkristalls, eines keramischen Resonators, eines keramischen Filters, eines piezoelektrischen Bauelementes, eines Oberflächenwellenfilters und/oder eines MEMS-Bau- teils als elektrischen Resonator zum Antrieb einer lonenfalle gelöst.

Derartige Resonatoren sind bekannt und dadurch, dass erfindungsgemäß diese bekannten Resonatoren zum Antrieb einer lonenfalle verwendet werden, ergeben sich die mit Bezug auf die erfindungsgemäße lonenfalle beschriebenen Vorteile. Insbesondere wird eine Miniaturisierung des Antriebs der lonenfalle ermöglicht, während gleichzeitig eine Möglichkeit der Massenfertigung der lonenfallen durch die einfache und zuverlässige Verfügbarkeit der Resonatoren gewährleistet ist.

In einer Ausführungsform ist der Resonator direkt oder indirekt an Elektroden der lonenfalle angeschlossen. In einer Ausführungsform ist der Resonator mittels einer oder mehrerer elektrischer Kapazitäten und/oder weiterer elektronischer Bauelemente an Elektroden der lonenfalle angeschlossen.

Weitere Vorteile und besondere Ausgestaltungen werden nachfolgend mit Verweis auf die beigefügten Figuren beschrieben. Hierbei zeigen:

Fig. 1 schematisch und exemplarisch eine Anordnung von Elektroden einer lonenfalle,

Fig. 2 schematisch und exemplarisch eine Anordnung von Elektroden einer lonenfalle,

Fig. 3 schematisch und exemplarisch eine Anordnung von Elektroden einer lonenfalle,

Fig. 4 schematisch und exemplarisch eine Anordnung von Elektroden einer lonenfalle, Fig. 5 schematisch und exemplarisch eine Anordnung von Elektroden einer lonenfalle,

Fig. 6 schematisch und exemplarisch ein Schaltbild einer bekannten lonenfalle,

Fig. 7 schematisch und exemplarisch ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen lonenfalle,

Fig. 8 schematisch und exemplarisch eine Anordnung mehrerer lonenfallenmodule und

Fig. 9 schematisch und exemplarisch eine perspektivische Ansicht der Geometrie der line- aren lonenfalle.

Es ist nichttrivial, etwas zum Schweben zu bringen, denn das Earnshaw-Theorem besagt, dass sich dies mit den üblichen Potentialen (Schwerkraft, elektrischen und— mit Ausnahme von Diamagneten und den idealen Diamagneten, Supraleitern— magnetischen Kräften) nicht mit statischen (zeitlich unveränderten) Anordnungen bewerkstelligen lässt. Einer der bekannten Auswege stellt die ursprünglich als “lonenkäfig” erfundene Quadrupol(io- nen)falle dar, die nach ihrem Erfinder auch Paulfalle genannt wird.

In dem Kontext dieser Patentanmeldung wird mit dem Begriff „lonenfalle“ ein Oberbegriff sämtlicher zum Einfangen von geladenen Teilchen, insbesondere Ionen, ausgebildeten Vorrichtungen verstanden. Neben der oben beschriebenen auch als Quadrupolfalle be- zeichneten„Paulfalle“ gibt es unter anderem noch eine andere, verbreitete Art von lonen- fallen, nämlich die Penningfalle. Der Begriff lonenfalle selbst ist eine Rückübersetzung aus dem Englischen. Der Begriff lonenkäfig aus den 1950ern wird heute nicht mehr verwendet, zumindest nicht in diesem Zusammenhang. Eine Quadrupolfalle hält ein oder mehrere geladene Teilchen, beispielsweise ein geladenes Atom, also ein Ion, mit einem elektrischen Wechselfeld in der Schwebe. Das funktioniert, obwohl jedes (statische) elektrische Feld in mindestens einer Raumrichtung höchstens ein labiles Gleichgewicht erzeugen kann. Denn die Umpolung bewirkt, dass ein zunächst weggetriebenes Teilchen einen noch höheren Impuls in Gegenrichtung erfährt, so dass sich im Zeitmittel eine rückstellende Kraft in jede Raumrichtung ergibt. Diese effektive Kraft ist eine konservative (energieerhaltende) Kraft, weshalb es das mathematische Konstrukt eines zugehörigen Potentials gibt, das sogenannte ponderomotive Potential.

Das bevorzugte elektrische Wechselfeld einer Paulfalle stellvertretend für eine allgemeine lonenfalle ist das Quadrupolfeld. Dies ist das Feld niedrigster Ordnung, das ein rückstellendes, ponderomotives Potential erzeugt. Man kann sich das zugrundeliegende, elektrische Potential als Sattelfläche verdeutlichen: In einer Raumrichtung gibt es eine Mulde und in (mindestens) einer dazu senkrechten Raumrichtung einen Hügel, so dass eine darauf balancierte Kugel in der ersten Raumrichtung (längs des gedachten Pferdes) zwar in die Mitte, entlang einer anderen (der Verbindungslinie zwischen den gedachten Reiterschenkeln) allerdings immer weiter nach außen rollen würde. Die Umpolung des Wechselfeldes würde (bei einem festen Sattel schwer vorstellbaren) Umstülpen des Sattels entsprechen; gerne wird als funktionierende Analogie ein schnelles Rotieren des Sattels um die Hochachse herangezogen, wobei es durchaus echte Demonstrationsexperimente mit rotierenden Sattelflächen gibt.

Historisch hat man versucht, extrem gute Näherungen an dieses ideale Quadrupolfeld zu erzeugen, weshalb eine Paulfalle ursprünglich aus hyperbolisch geformte Elektroden, entsprechend den Äquipotentialflächen eines Quadrupolfeldes, bestand.

Fig. 1 zeigt schematisch und exemplarisch eine lonenfalle 1 mit hyperboloidförmigen Elektroden 10, 20. Die Elektrode 20, die zur besseren Erkennbarkeit in der beispielhaften Fig. 1 aufgeschnitten ist, bildet den Gegenpol zu den Elektroden 10, die beide auf demselben Potential liegen. Der (in Fig. 1 nicht gezeigte) Antrieb ist beispielsweise eine Hochfrequenz und Hochspannungswechselspannungsquelle, bei der in der Praxis darauf zu achten ist, dass zum Einzelionenbetrieb eine derartige Quelle mit niedrigem Rauschen in dem Bereich der Vibrationsfrequenzen des oder der gefangenen Ionen zum Einsatz kommt. Typische Elektrodenabstände liegen im Bereich von Bruchteilen von Millimetern bis hin zu wenigen Millimetern. Idealisiert sollen sich die Elektroden 10, 20 asymptotisch berühren.

Wohl experimentell wurde jedoch entdeckt, dass auch Abweichungen von dem Quadrupolfeld für lonenfallen 1 geeignet sind. Die nachfolgenden Figuren 2, 3 und 4 zeigen Beispiele derartiger Abweichungen. In Fig. 2 sind die Elektroden 10 und 20 als gegenüberliegende runde Drähte ausgeführt. Hier und nachfolgend werden mit den Elektroden 10 und 20 diejenigen Elektroden bezeichnet, an denen jeweils entgegengesetzt gepolt die Wechselspannung zum Betrieb der lo- nenfalle 1 angelegt wird. Die in Fig. 2 gezeigte lonenfalle kann auch als lineare lonenfalle klassifiziert werden, wobei Ionen mit einem geeigneten Ladungs-zu-Massenverhältnis seitlich gehalten werden, sodass sie in der Längsrichtung der Elektroden 10, 20 weitergeleitet werden, während andere Ladungs-zu-Massenverhältnisse ausgefiltert werden. Der Bereich des Ladungs-zu-Massenverhältnis, mit dem Ionen seitlich gehalten werden, kann durch Überlagern einer geeignet gewählten Gleichspannung beliebig schmal bzw. klein gemacht werden.

Fig. 3 zeigte schematisch und exemplarisch eine Anordnung von Elektroden 10, 20 einer lonenfalle 1 , die auch als Endkappenfalle bezeichnet wird. Ein Vorteil dieser Anordnung, bei der beide Pole der Wechselspannung an je zwei Elektroden 10, 20 anliegen, ist ein besserer optischer Zugang, beispielsweise für Laserspektroskopie-Anwendungen.

Fig. 4 zeigt schematisch und exemplarisch eine weitere lonenfalle 1 , die als Oberflächenfalle bekannt ist und auch im Bereich von Quantencomputern zum Einsatz kommt. Auf einem Substrat 50 befinden sich in einer Ebene die Elektroden 10 und 20, an die das Wechselspannungspotential der lonenfalle 1 angelegt wird. Zusätzlich befinden sich, gezeigt radial außerhalb der linear verlaufenden Elektroden 10, 20, Gleichspannungselektroden 30. Die Ansteuerung der Gleichspannungselektroden 30 kann dazu verwendet werden, Ionen entlang der Längsrichtung L festzuhalten und zu verschieben. Die Ausdehnung der Elektroden 10, 20 in eine Richtung senkrecht auf der Längsrichtung L ist beispielsweise im Bereich von 100 pm bis 10 mm, insbesondere im Bereich von 100 pm bis 1 mm. Hierzu weist jede der Gleichspannungselektroden 30 einzelne Gleichspannungselektrodenabschnitte 32 auf, die einzeln und unabhängig voneinander bzw. in Gruppen angesteuert werden können.

Man könnte sagen, dass (fast) jede Elektrodengeometrie eine (meist ausreichende) Komponente eines zu einem rückstellenden, ponderomotiven Potential gehörenden Feldes ausbildet; sogar Büroklammern wurden bereits als Demonstrationsionenfallen benutzt.

In Industrie und Forschung benutzt man selbstverständlich auf besonders gute Funktion optimierte Elektrodengeometrien, was meist, aber nicht immer auf hohen Quadrupolgehalt und/oder hohe Tiefe (Hürde zum Entkommen) im ponderomotiven Potential hinausläuft. Weitere Kriterien können beispielsweise Laserstrahlzugänglichkeit oder Parameterverstellbarkeit durch weitere Steuerelektroden sein.

Fig. 5 zeigt schematisch und exemplarisch eine lonenfalle 1 , die nachfolgend auch als Sandwichfalle bezeichnet werden, weil zwei in Elektroden strukturierte Oberflächen sich gegenüberliegend die lonenfalle 1 ausbilden. Die Anzahl der in Elektroden strukturierte Oberflächen ist natürlich nicht auf zwei beschränkt und auch mehrere Schichten sind vorstellbar, so dass auch allgemeiner von einer tiefen Mehrschichtfalle gesprochen werden kann.

In dieser Anordnung sind die Gegenpole der Wechselspannungsbeschaltung, die Elektroden 10 und 20, im Ergebnis wie in der linearen Anordnung, die in Fig. 2 gezeigt ist, ausgebildet. Darüber hinaus sind die Elektroden 10, 20 mit Fingern 12, 22 ausgebildet, zwischen denen sich Zwischenräume 14, bzw. 24 befinden. Jeder Finger 12, bzw. 22 der fingerartigen Elektroden 10, 20 kann unabhängig angesteuert werden und ermöglicht damit eine besonders präzise Steuerung des in dem Zwischenraum zwischen den Elektroden 10, 20 ausgebildeten Potentials.

Statische elektrische Felder haben ein Rauschen, das sich invers proportional zu der vierten Potenz des Abstandes von der Elektrode verhält. Große Elektroden bzw. ein großer Abstand des Elektrons oder Ions von der Metalloberfläche unterdrückt damit ein Rauschen. Vorzugsweise sind die Zwischenräume 14, bzw. 24 zwischen den Fingern 12, 24 ausgefräst oder anders ausgebildet und die Oberflächen vollmetallisiert. Besonders bevorzugt werden die Finger 12 und 24 mit einer gleichen bzw. Gegenphase betrieben, wobei sich die Amplitude der angelegten Spannung unterscheidet, um eine Optimierung des entstehenden Potentials zu erreichen. Insbesondere an Kreuzungspunkten, die aus einer sich kreuzenden Längs- und Querachse gebildet sind, ist es in einigen Ausführungen vorteilhaft, bestimmte Elektroden zumindest temporär statt mit einer Gegen- mit einer Gleichphase zu betreiben. Außerdem gibt es in der Fig. 5 mit identischen Bezugsziffern bezeichnete Elektroden 10, 20, die sich jeweils diagonal gegenüberliegen, bei denen die Gleichphase in vielen Ausführungen grundsätzlich bevorzugt ist.

Die verbreitetste Anwendung von lonenfallen sind Massenspektrometer. In Ihnen wird eine zu untersuchende Probe ionisiert und entweder in einen der schon erwähnten Massenfilter oder in eine noch traditionellere lonenfalle eingespeist. Abhängig von den verwandten Spannungen (Wechselspannung und überlagerte Gleichspannung), der Wechselspannungsfrequenz, den Abmessungen und der Geometrie der lonenfalle wird nämlich nur ein gewisser Bereich von Ladungs-zu-Massenverhältnissen in der lonenfalle gefangen bzw. im Massenfilter weitergeleitet. Detektiert man die übrigen Ionen während man diesen Bereich verändert, so kann man den Gehalt an Ionen mit bekanntem Ladungs-zu-Massen- verhältnis bestimmen, also ein (Ladungs-zu-) Massenspektrogramm erhalten. Die genannten Abhängigkeiten lassen sich mathematisch in zwei sogenannte Fallenparameter zusammenfassen; die zugehörigen Bewegungsgleichungen (die über die Näherung des ponde- romotiven Potentials hinaus die detaillierte Bewegung beschreiben) heißen Mathieu-Glei- chungen. Eine grafische Darstellung mit den Regionen (oder der einen meist interessierenden Hauptregion) von Fallenparametern, bei denen Ionen oder andere Teilchen gefangen bleiben können, heißt Stabilitätsdiagramm. Unter anderem für ionenfallenbasierte Quantencomputer, beispielsweise aber auch für optische Atomuhren und ähnliche Anwendungsgebiete interessant ist eine andere Anwendung von lonenfallen: Statt sehr vielen Ionen werden nur einzelne oder geringe Zahlen von Ionen gefangen. Es interessiert hierbei die Wechselwirkung eines oder mehrerer Ionen mit Laser- oder Mikrowellenfeldern. Die Aufgabe der lonenfalle ist es dabei, das oder die Ionen gut von der Umgebung isoliert im luftleeren Raum, speziell in einem Ultrahochvakuum, zu halten. Von besonderem Interesse ist es, Ionen so sehr abzukühlen, dass (in der Reihenfolge sinkender Resttemperatur bzw. -bewegung des oder der Ionen):

1. Die normalerweise wild durcheinanderwirbelnde Bewegung der Ionen so weit gebremst ist, dass sich feste Abstände und Winkel zwischen den Ionen ausbilden: Es entsteht ein sogenanntes lonenkristall.

2. Ein bzw. jedes einzelne Ion sich so wenig bewegt, dass Wechselwirkungen mit Laserlicht mathematisch im sogenannten Lamb-Dicke-Bereich liegen: Die Wechselwirkung zwischen Licht- und Vibrationsbewegung zeigt deutlich die Quantisierung der Vibrationsbewegung als Seitenbandmodulation des optischen Spektrums. Dadurch ist (im Grenzfall einer Lage weit innerhalb dieses Bereichs) eine vereinfachte mathematische Beschreibung und beispielsweise ein weiteres Kühlen durch optische Anregung eines sogenannten Bewegungsseitenbandes möglich. In diesem Grenzfall funktionieren sogenannte“warme” (o- der, nach den Erfindern, Molmer-Sorensen-) Quantencomputeroperationen (oder, kurz, Quantengatter).

3. Das oder die Ionen praktisch keine Restbewegung mehr aufweisen: Der quatenme- chanische Grundzustand (in Bezug auf mindestens eine interessierende Achse der Vibrationsbewegungen) ist erreicht. In diesem Bereich funktionieren sogenannte“kalte” (oder, nach den Erfindern, Cirac-Zoller-) Quantengatter.

Um solche lonenkühlung zu ermöglichen und einmal derart gekühlte Ionen möglichst lange kalt genug zu halten, darf dessen Bewegung nicht zu sehr durch elektrische Störfelder angeregt werden. Beispielsweise würde ein elektrisches Wechselfeld bei der Frequenz, bei der das Ion natürlicherweise im ponderomotiven Potential schwingen kann, zu einem Resonanzeffekt und damit einer hoher (Ionen-) Heizrate führen. Diese Heizrate misst man üblicherweise in Quanten der geschilderten Schwingung (zuvor auch Vibrationsbewegung genannt) pro Zeiteinheit.

Die meist stärkste Quelle aufheizend wirkender, elektrischer Störfelder sind Feldfluktuationen, die wissenschaftlich nicht im Detail verstanden sind, jedoch mit lokalen Effekten an Elektrodenoberflächen Zusammenhängen; sie nehmen mit zunehmendem Elektrodenabstand stark ab und lassen sich durch Reinigung (mit starken Laserpulsen oder durch Behandlung mit Argonionen) sowie durch Elektrodenabkühlung auf kryogene Temperaturen um mehrere Größenordnungen verringern. Im für diese Schrift relevantem Vorhaben sind sie durch Wahl einer relativ großen lonenfalle, bei der minimale Abständen zwischen Ionen und Elektroden von etwa 500 gm eingehalten werden, auf etwa 1 Quant pro Sekunde beschränkt. Typisch für die meist erheblich kleineren, für ionenfallenbasierte Quantencomputerexperimente oft eingesetzten Oberflächenfallen sind Aufheizraten in der Größenordnung von 1000 Quanten pro Sekunde.

Damit durch elektrisch angelegte Spannungen erzeugte Feldfluktuationen idealerweise keine noch größeren, auf jeden Fall aber kleine, zusätzliche Beiträge zur Auf heizrate liefert, werden Resonatoren hoher Güte als Teil der Wechselspannungsversorgung von lonenfal- len für Einzelionenanwendungen eingesetzt. Dies wird insbesondere aus zwei Gründen für notwendig erachtet:

• Erstens sind die notwendigerweise gemachten Kompromisse bei den lonenfallenpa- rametern für Einzelionenexperimente in der Regel dann günstiger, wenn man zu hohen Spannungen (oft 100 bis über 1000 V Wechselspannungsamplitude) bei gleichzeitig halbwegs hohen Frequenzen (oft 10 bis 200 MHz) geht. Das hat atomphysikalische Gründe. Durch die schwer unter ca. 20 pF haltbare Kapazität von den üblicherweise verwendeten, elektrischen Koaxialdurchführungen für Ultrahochvakuumsaperaturen entspricht dies Hochleistungselektronik mit Blindleistungen bis jenseits von 1 kVA. Um solche lonenfallen nicht mit teilweise mehr als 1 kW echter Leistung betreiben zu müssen, ergänzt man diese Kapazität mit einer Induktivität zu einem Schwingkreis mit hoher Güte (typ. sind Gütefaktoren von mehreren hundert bis rund eintausend). Der Resonator wirkt dabei wie ein Leis- tungsrecyceler.

• Zweitens filtert ein Resonator auch technisches und sogar thermodynamisch unvermeidbares Rauschen. Dies liegt daran, dass elektrische Leistung mit Frequenzen nahe der Resonanz durch den Resonanzeffekt überhöht, andere hingegen abgeschwächt werden. Somit kann die Resonanzüberhöhung für das Recyceln elektrischer Leistung zwischen Schwingungsperioden genutzt werden und gleichzeitig das Rauschen bei den Vibrationsfrequenzen eines oder mehrerer Ionen in der Falle erheblich reduziert werden.

Fig. 6 zeigt schematisch und exemplarisch ein Schaltdiagramm eines herkömmlichen Antriebs 80 einer lonenfalle 1. Ein Signalgenerator 82 erzeugt eine Wechselspannung, die von einem Verstärker 84 verstärkt wird und in einem Resonanztransformator 86, der als zwei gekoppelte Induktoren aufzufassen ist, impedanzgewandelt und gefiltert. Der eigentliche Bereich der lonenfalle 1 , in dem die Ionen letztlich gefangen werden, ist hier mit einem Ersatzschaltbild, einem Kondensator 2 dargestellt.

Eine Vakuumkammer 4 ist mit gestrichelten Linien auf der rechten Seite in der Abbildung der Fig. 6 dargestellt und umschließt jedenfalls den als Kondensator 2 dargestellten Bereich, in dem das bzw. die Ionen gefangen werden. Über eine Vakuumdurchführung 88, die aufgrund ihrer Ausgestaltung eine signifikante Kapazität hat, wird die Antriebsleistung in das Innere der Vakuumkamnner 4 geführt.

Fig. 7 zeigt schematisch und exemplarisch einen Schaltkreis einer erfindungsgemäßen lo- nenfalle 1 , die von einem abgewandelten Resonator 100 angetrieben wird. Der Resonator 100 umfasst einen Schwingkreis 1 10, der insbesondere innerhalb der Vakuumkammer 4 angeordnet ist. Das der Erfindung zugrundeliegende Konzept besteht demnach darin, dass der Resonator 100 in das Vakuum, insbesondere das Ultrahochvakuum integriert ist. Dadurch lassen sich lange Leitungen und die damit verbundenen Kapazitäten einsparen, sodass gegenüber den bisher bekannten lonenfallen 1 eine um etwa eine Größenordnung reduzierte Blindleistung zu erwarten ist.

Gekoppelt ist dies erfindungsgemäß damit, dass massengefertigte Schwingkreise 1 10, die normalerweise ausschließlich im Kleinsignalbetrieb verwendet werden, in dem Bereich der Leistungselektronik liegenden lonenfallenwechselspannungsversorgung verwendet werden. Insbesondere weist der Resonator 100 hierfür einen Quarzkristall, einen keramischen Resonator, einen keramischen Filter, ein piezoelektrisches Bauelement, einen Oberflächenwellenfilter und/oder ein MEMS-Bauteil auf. Der Resonator 100 wird in diesem Ausführungsbeispiel von einem Hochspannungstreiber 120 über einen Kondensator 130 gespeist. Die Speisung aus dem Hochspannungstreiber 120 mittels des Kondensators 130 ist nur als mögliche, nicht jedoch als notwendige Umsetzung zu verstehen.

Demnach werden die bislang üblicherweise verwendeten Resonanztransformatoren durch einen der beschriebenen Resonanzschwingkreise 100 ersetzt, die innerhalb der Vakuumkammer 4 angeordnet werden. Vorzugsweise wird der sonst bei niedriger Spannung arbeitende Treiber als Hochimpedanz und Hochspannungstreiber ausgeführt.

Sollte es zu Nichtlinearitäten der Resonatoren 100 kommen, so kann sich dies beispielsweise durch eine amplitudenabhängige Resonanzfrequenz bemerkbar machen. Analog zum Vorschlag von Lekitsch et al. kann dann ein frequenzverstellendes Element sowie ein Regelkreis zur Amplitudenstabilisierung vorgesehen werden, die vorzugsweise insbesondere ebenfalls innerhalb der Vakuumkammer 4 angeordnet werden. Erfindungsgemäß wird demnach vorzugsweise ein spannungsempfindliches Element für eine derartige Amplitudenstabilisierung innerhalb der Vakuumapparatur eingebaut.

Die Forderung nach einem elektrischen Schaltkreis innerhalb der Vakuumkammer 4 bedeutet eine verschlechterte Kontrolle über das dort herrschende Magnetfeld, denn fast alle handelsüblichen Elektronikkomponente beinhalten eine Diffusionsbarriere aus dem ferromagnetischen Metall Nickel (und die übrigen bereiten Probleme mit der Zuverlässigkeit und Haltbarkeit von Lötverbindungen). Das Einstellen eines gewünschten Magnetfeldes ist wichtig für viele laserspektroskopischen Untersuchungen an Ionen oder Atomen und sehr wichtig für die korrekte Funktion, beispielsweise eines Quantencomputers, so dass hierfür vorzugsweise ein Stellglied für das magnetische Feld bereitgestellt wird, besonders bevorzugt ebenfalls innerhalb der Vakuumkammer 4.

Mit den beschriebenen Elementen ist das Einstellen von Amplitude, Frequenz und Phase bzw. Phasenrichtigkeit zwischen verschiedenen Ansteuerungsschaltungen ein regeltechnisches Problem, dass sich mit den für dieses Feld üblichen Methoden lösen lässt. Was bleibt ist die Frage, wie die richtigen Vorgaben für diese Werte zu finden sind. Bei der Phase ist dies trivial: Alle mit Wechselspannung betriebenen Elektroden 10, 20, deren gemeinsames Feld ein ponderomotives Potential und damit eine lonenfalle 1 ausbilden sollen, müssen phasenrichtig, also mit identischer Frequenz und mit gleicher oder gegenläufiger Phase, betrieben werden. Ein anderer Phasenbezug zwischen den Elektroden führt regelmäßig zu einer erhöhten Bewegung des oder der gefangenen Ionen, so dass beispielsweise das Erreichen des Lamb-Dicke-Bereichs erschwert oder verhindert wird. Offen ist demnach die passende Wahl der zur Ansteuerung verwendeten Amplituden.

Es ist üblich, einzelne (oder mehrere) Ionen zu fangen, indem man zunächst die lonenfalle bereitstellt (also deren Wechselspannungsquelle einschaltet) und anschließend Ionen möglichst nahe des Fallenmittelpunktes erzeugt. Traditionell beschießt man dazu Atome aus einem Miniaturofen mit Elektronen um sie per Stoßionisation zu ionisieren; inzwischen wird es jedoch bevorzugt, solche Atome mit einem Laser zu photoionisieren. Dies hat den Vorteil, dass weniger Atome gebraucht werden, denn die Photoionisation ist sehr viel effizienter. So führt der bevorzugte Ansatz auch dazu, dass Elektroden und alles andere, was sich im Vakuum befindet, weniger mit Atomdampf verunreinigt wird.

Das oder die so in die Falle geladenen Ionen haben eine hohe Temperatur, denn ihre Bewegungsenergie entspricht im Ideal- und Minimalfall der, mit denen die Atome aus dem Ofen unterwegs waren, im Mittel also einer deutlich über Raumtemperatur erhöhten Temperatur, die sie im konservativen ponderomotiven Potential lange behalten, wenn man sie nicht abkühlt. Dazu benutzt man beispielsweise einen weiteren Laser zur sogenannten Dopplerkühlung: Man strahlt ihn von einem atomaren Übergang im Atom ausgehend ins Rote verstimmt auf das Ion oder die Ionen ein. Dadurch sind nur solche Ionen in optischer Resonanz, die sich auf den Laser zubewegen. Bei der nur dann erfolgenden Absorption eines Lichtteilchens (Photons) werden sie gebremst, bekommen also weniger Bewegungsenergie, im statistischen Mittel auch, nachdem sie ein entsprechendes Photon wieder emittiert (abgegeben) haben.

Mit den üblicherweise verwendeten Übergängen in den geeigneten Ionen kann dieser Vorgang ganz grob etwa 10 Millionen Mal pro Sekunde erfolgen. Aufgrund der Abgabe von Photonen“sieht” man das Ion dabei bei geeigneter Wahl der Laserverstimmung auch dann noch, wenn die für das Dopplerkühlen optimale Temperatur erreicht ist. Sie entspricht bei üblichen experimentellen Parametern ganz grob 10 verbleibende Quanten jeder Bewegungsmode; durch Tricks, u.a. Seitenbandkühlen, kann sie weiter verringert werden. “Sehen” steht dabei in Anführungszeichen, weil dies in manchen Fällen zwar möglich sein dürfte, man üblicherweise aber auf sehr empfindliche Detektoren, oft sogar auf Einzelphotonendetektoren, zurückgreift. Damit und mit geeignet gesteuerten Lasern sind eine Vielzahl von Experimenten und Messungen möglich; wichtig wird noch werden, dass es eine laserspektroskopische Möglichkeit gibt, zu messen, welche mittlere Anzahl von Quanten der Vibrationsmoden ein Ion hat, wobei die Messung voraussetzt, dass es nicht zu viele sind. Für das erwähnte, optimale Kühlergebnis ist es wichtig, dass das Ion möglichst wenig von dem Wechselfeld spürt. Bei einem idealen Quadrupolfeld ist das automatisch gegeben, wenn es sich im Minimum des ponderomotiven Potentials befindet. Doch wegen der Möglichkeit (und damit praktischen Sicherheit) von unbeabsichtigten elektrischen Streufeldern ist dies nur dann gegeben, wenn diese abgeschirmt oder durch ein Gegenfeld kompensiert werden. Zu diesem Zweck hat jede Einzelionenfalle vorzugsweise zusätzliche Elektroden 30 mit Gleichstromelektrodenabschnitten 32, die mit Gleichstrom (oder nahezu Gleichstrom) angesteuert werden.

Derartige Gleichstromelektroden 30 lassen sich auch nutzen, um Ionen zu bewegen. Die dazu bevorzugte Ausführung ist eine sogenannte lineare lonenfalle, vgl. die Beschreibung der Figuren 4 und 5, bei der das ponderomotive Potential nicht nur in einem Punkt, sondern entlang einer ganzen Linie Null beträgt (in Mathematikersprache: es verschwindet auf dieser Linie). Dann kann mittels Gleichstromelektroden 30 dafür gesorgt werden, dass es entlang dieser Linie doch auf einen Punkt gehalten wird (das Earnshaw-Theorem besagt lediglich, dass dies nicht entlang aller Raumrichtungen per Gleichstromfelder funktioniert). Durch geeignete Änderungen dieser Gleichstromansteuerung (also genau genommen nur einer Quasigleichstromansteuerung, die sich durch eine erheblich kleinere Frequenz als die das ponderomotive Feld erzeugende Wechselstromansteuerungen auszeichnet) können einzelne Ionen oder auch ganze lonenkristalle bewegt werden.

Prinzipiell kann jeder der Gleichspannungselektrodenabschnitte 32 mit einem unabhängigen Potential beaufschlagt werden. In praktischer Implementierung kann überlegt werden, auch mehrere der Gleichspannungselektrodenabschnitte 32 mit einem gleichen Potential zu beaufschlagen, beispielsweise durch gemeinsamen Anschluss an eine Gleichspannungsversorgung.

Problematisch sind dabei mechanische Toleranzen der mit Wechselspannung angesteuerten, die lonenfalle 1 formende Elektroden 10, 20. Denn bereits relativ kleine Abweichungen können zu einer Potentialschwelle (engl. Potential barrier) führen, die dann zwar auch klein auf der Skala der gesamten lonenfallenpotentialtiefe sind, aber eine erhebliche Größe auf der um viele Größenordnungen kleineren Skala der gewünschten lonentemperatur aufweist. Im ungünstigsten Fall kann es passieren, dass das Ion bei der Bewegung auf der Flanke einer solchen Potentialschwelle nicht mehr in alle Richtungen eingesperrt ist und sich entsprechend der gewonnenen potentiellen Energie ballistisch fortbewegt, was in aller Regel unerwünscht ist und je nach Anwendung, beispielsweise bei Quantencomputern, die Funktion einschränkende Folgen haben kann. Das führt beispielsweise bei dem erwähnten wissenschaftlichen Fachartikel von Lekitsch et al. zu einem Erfordernis, benachbarte lo- nenfallenmodule mit einer Präzision von besser als ca. 10 Mikrometern zueinander zu positionieren, was für größere Modulzusammensetzungen nicht praktikabel ist.

Die erfindungsgemäße Einzelansteuerung individueller Elektroden 10, 20 einer linearen lonenfalle 1 ermöglicht es im Prinzip, statt die Elektroden 10, 20, 30 mechanisch präzise anzuordnen, ihre tatsächliche Anordnung in eine dazu passende Ansteuerung zu übersetzen. Damit müssen sie nicht mehr präzise positioniert werden, sondern nur noch passend angesteuert, das heißt insbesondere mit der passenden Amplitude angesteuert, werden.

Ein Ion, welches das Wechselspannungsfeld der Fallenelektroden 10, 20 verstärkt spürt, erfährt eine erhöhte Heizrate. Dieser Effekt wird erfindungsgemäß genutzt, um ein Maß dafür zu erhalten, wie sehr ein Ion eine Potentialschwelle des ponderomotiven Potentials spürt. Dazu wird es nützlich sein, diese zusätzliche Heizrate (und damit den Messbereich) geeignet wählen zu können. Das ist möglich, wenn man auf die lonenfallenantriebswech- selspannung eine zu der Vibrationsfrequenz des Ions passende, gewollte, zusätzliche Wechselspannung einspeist.

So kann beispielsweise eine (meist ungewollte) Variation der Vibrationsfrequenz gemessen werden, indem man die Zusatzwechselspannung geeignet gegenüber der gewollten Vibrationsfrequenz verstimmt. Das muss entweder im Vorfeld erfolgen, oder statt der einen Zusatzwechselspannung ist ein entsprechendes, aber spektral verbreitertes Signal als Zusatzeinspeisung zu nutzen.

Im Endeffekt erlaubt so eine (wiederholte) Messung nicht nur festzustellen, wie sehr ein Ion einer Potentialschwelle des ponderomotiven Potentials (oder vielmehr dem diese erzeugenden Wechselfeld) ausgesetzt ist, sondern auch, in Richtung welcher Ansteuerparameterveränderung eine Verbesserung zu erzielen ist. Als Parameter ist vorzugsweise die Amplitude der mit Wechselstrom angesteuerten Elektroden 10, 20 zu wählen. Dies nennt man auch ein Gradientenabstiegsoptimierungsverfahren (engl. „Gradient Descent Opti- mization“). Damit dürften sich nahezu optimale ponderomotive Potentiale für normales Bewegen von Ionen, dem Bewegen über lonenfallenmodulgrenzen hinaus, und dem Bewegen durch Kreuzungspunkte erzielen lassen.

Zur Kompensation magnetischer Felder entlang der Bewegung von Ionen wird ein vergleichbares, allerdings auf Magnetfelder sensitives Verfahren angewandt.

Fig. 8 zeigt schematisch und exemplarisch eine Anordnung mehrere lonenfallenmodule 300 in drei Dimensionen. Jedes der lonenfallenmodule 300 kann beispielsweise der Elektrodenanordnung der lonenfalle 1 , wie sie in Fig. 5 schematisch gezeigt ist, und der elekt- ronischen Anordnung, wie sie schematisch in Fig. 7 gezeigt ist, entsprechen. Der Folgeeffekt aus der Kompensation magnetischer Felder entlang der Bewegung von Ionen ist, dass auch mechanisch schlecht zueinander passende lonenfallenmodule 300 elektrisch passend gemacht werden können. Damit wird ermöglicht, lonenfallenmodule 300 nicht nur direkt nebeneinander, sondern auch im rechten Winkel oder mit abweichenden Geometrien zueinander zusammenzusetzen. Damit ist nicht die Fügung gemeint, mit der Fließen um eine Ecke fortgesetzt werden, das heißt eine Drehung um etwa 90° entlang einer Fügekante, sondern vielmehr eine Drehung um etwa 90° oder einen anderen Wert entlang des linearen Pfades L, entlang dem die Ionen bewegt werden können.

Jedes der lonenfallenmodule 300 weist exemplarisch die fingerartige Elektrodenstruktur auf, das heißt beispielsweise, dass das Substratmaterial in dem als Kamm dargestellten Bereich weggefräst ist. Ebenso weist jedes der lonenfallenmodule 300 in der schematischen Ansicht elektronische Komponenten 310, 320 und 330 auf, die beispielsweise den Resonator 100 der lonenfalle 1 integrieren.

Die gesamte Anordnung aus lonenfallenmodulen 300 befindet sich im Vakuum, das heißt innerhalb der Vakuumkammer 4. Zur besseren Erkennbarkeit sind optische Komponenten in der Fig. 8, ebenso wie in den anderen Figuren, weggelassen.

Schließlich zeigt Fig. 9 schematisch und exemplarisch eine perspektivische Ansicht der Geometrie der linearen lonenfalle 1.

Gezeigt ist ein Schnitt senkrecht zur linearen Bewegungsbahn eines Ions 6, das in der Mitte zwischen den Fingern 12, 22 der gegenpolig angesteuerten Wechselstromelektroden liegen. Es ist hierbei nicht nur der Schnitt, sondern auch die in die Tiefe fortgesetzte lonenfalle 1 gezeigt. Durch die Perspektive sind einzelne Finger 12, 22, die jeweils einzelansteu- erbare Elektroden 10, 20 darstellen, sichtbar. Der Schnitt ist ebenfalls so gewählt, dass ein keramisches Substrat 50 in der rechten oberen und linken unteren Ecke erkennbar ist. Anders ausgedrückt, ist in diesem Beispiel die Anordnung der Finger 12 und 22 entlang der Längsrichtung versetzt, das heißt die Finger 22, die in der Schnittebene liegen, sind durchgeschnitten gezeigt, während die Finger 12 in einer Draufsicht gezeigt sind.

Es wird demnach besonders eine elektrische Schaltung zum Antrieb von lonenfallen 1 für Laserspektroskopie an Einzelionen vorgeschlagen werden. Dies betrifft beispielsweise die Einsatzgebiete einer ionenfallenbasierten optischen Atomuhr oder eines ionenfallenbasierten Quantencomputers. Die zugehörige Schaltung basiert im Kern auf einem elektrischen Resonator, der unter anderem deshalb erforderlich ist, um elektrisches Rauschen zu unterdrücken (ein Resonator verstärkt Schwingungen im Resonanzbereich und unterdrückt alle übrigen Schwingungen). Ohne diese Unterdrückung würden Einzelionen einer verstärkten sogenannten Heizrate ausgesetzt: Ihre für Laserspektroskopische Anwendungen üblicherweise technisch unterdrückte (“lasergekühlte”) Vibrationsbewegung in der lonen- falle würde ohne Zutun stärker zunehmen, als dies technisch möglich ist.

Eine solche Zunahme ist üblicherweise aber unerwünscht, da zu viel solcher Bewegung oder aber schon die Zunahme selbst problematisch für die meisten (erwünschten) Laser- lon-lnteraktionen sind. Bisher sind zwar verschiedene Bauarten solcher Resonatoren für lonenfallenantriebe bekannt, jedoch wird nur eine Spielart, der“helical resonator” im Zusammenhang mit für Einzelionenbetrieb ausgelegte lonenfallen benutzt. Das liegt daran, dass nur große Kupferluftspulen die dabei angestrebte Güte erreichen.

Demgegenüber werden erfindungsgemäß statt Kupferluftspulen eigentlich für Kleinsignalanwendungen produzierte, massenfertig bare Resonatoren verwendet, beispielsweise Quarzkristalle, keramische Filter, piezoelektrische Bauelemente oder Oberflächenwellenfilter. Durch die dabei zu erwartende Genauigkeit in der Resonanzfrequenz wird eine Vielzahl von neuen Anwendungen ermöglicht. Dazu gehört die Verwendung mehrerer Wechselspannungsquellen in einer lonenfalle und die Möglichkeit, deren Eigenschaften dann rein elektrisch abzustimmen, beispielsweise um mechanische Fertigungstoleranzen auszugleichen oder um Kreuzungspunkte in den Pfaden, entlang derer Ionen in manchen lonenfallen transportiert werden können, in besonders einfacher und besonders hochqualitativer Art einrichten zu können. Ferner gehört zu diesen Anwendungen die Möglichkeit, getrennte lonenfallen zu verbinden, ohne dabei extreme mechanische Toleranzen gewährleisten zu müssen. Vorstellbar ist dies sogar in gewinkelter Form, so dass derart zusammengefügte lonenfallenmodule sich nicht auf eine Ebene beschränken müssen, sondern raumfüllend, also beispielsweise in 3 Dimensionen gestapelt, ausgeführt werden können.

Die Erfindung löst demnach die Aufgabe, eine massenfertigbare, durch Resonanz rauschfilternde und leistungsrecycelnde, kleine, elektrische Schaltung für den Antrieb von lonenfallen bereitzustellen und Methoden zur erfolgreichen Nutzung zu offenbaren.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, dabei den Gleichstromanteil der angelegten Wechselspannung zu definieren oder optional einstellbar zu gestalten, ohne dabei signifikantes, zusätzliches Rauschen bei einer Bewegungsfrequenz der Ionen zu generieren.

Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, dieses Leistungsrecyceln durch Resonanz so stabil bzw. frequenzreproduzierbar zu gestalten, dass ermöglicht wird, verschiedene Elektroden einer lonenfalle mit verschiedenen elektrischen Antrieben bei gleicher Frequenz mit definiertem und optional auch einstellbarem Phasen- und Amplitudenverhältnis anzutreiben.

Eine zusätzliche Aufgabe der Erfindung ist es, eine Möglichkeit zu schaffen, die an die lonenfalle angelegte Wechselspannung und ihren Zeitverlauf zu messen, beispielsweise um ihre Phase und/oder ihre Amplitude nachzuregeln. Schließlich ist es auch Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit bereitzustellen, den elektrischen Antrieb einer lonenfalle in die die lonenfalle beinhaltende Vakuumkamnner zu integrieren.

Die Erfindung besteht demnach in der Zweckentfremdung von üblicherweise ausschließlich für die Kleinsignalfilterung, Frequenzstabilisierung, als Aktuatoren oder anderweitig mit kleinen Spannungen und Strömen verwandten Resonatoren für eine aufgrund parasitärer Kapazitäten im oder nahe dem Bereich der Leistungselektronik liegende Anwendung, den elektrischen Antrieb einer lonenfalle.

Ein piezoeletrisch kontaktierter Quartzkristall ähnlich oder identisch zu den mit Kleinstsig- nalen betriebenen, frequenzbestimmenden Bauteilen in Quartzoszillatoren wird als Resonator für den Antrieb einer lonenfalle benutzt, indem er zwischen zwei in Gegenphase mit Wechselspannung gespeiste Elektroden geschaltet wird.

Es entsteht mindestens eine Resonanz, bei der mechanisch bzw. piezoelektrisch im Kristall gespeicherte Energie teilweise in elektrostatische Energie in der von der lonenfalle gebildeten, parasitären Kapazität umgewandelt wird und umgekehrt. Damit erfüllt diese Ausführung die Aufgabe der Erfindung; zweckmäßigerweise kann dieser lonenfallenantrieb wiederum von einer äußeren Schaltung angetrieben werden, die beispielsweise kapazitiv gekoppelt oder über einen kapazitiven Spannungsteiler angeschlossen ist.

Um eine erfolgreiche Anregung des bei größeren Amplituden sich nichtlinear verhaltenden Kristalls zu erreichen, kann die Frequenz auf die zu einer aktuell erreichten Amplitude nachgestellt oder nachgeregelt werden.

Zum Definieren oder Einstellen des Gleichstromanteils der so an lonenfallenelektroden angelegten Wechselspannung wird ein RC-Glied mit sehr langer Zeitkonstante, bei dem die Kapazität ganz oder zum Teil durch die parasitäre Kapazität der lonenfalle geformt wird, an die nicht geerdete lonenfallenelektrode angeschlossen. Dadurch kann das vom Widerstand erzeugte Rauschen so stark gefiltert werden, dass es bei der Bewegungsfrequenz von einem oder mehreren, in der lonenfalle befindlichen Ionen keinen signifikanten Beitrag mehr leistet.

In der Anwendung mit unabhängiger Ansteuerung von zwei oder mehr Elektroden der lonenfalle wird die beschriebene Ausführung entsprechend vervielfacht. In der Ausführung mit in die Vakuumkammer integrierter Ansteuerung ist mindestens der beschriebene Resonator in dieser Vakuumkammer enthalten.

Zum Messen des Zeitverlaufs der an die lonenfallenelektroden tatsächlich angelegten Spannung ist es möglich, mittels überwiegend kapazitivem Spannungsteiler eine elektronisch leicht weiterverarbeitbare, entsprechend niedrigere Spannung zu erzeugen. Mittels einer Regelschleife kann dadurch Phase und Amplitude auf gewünschte Stellwerte geregelt werden.

Beispiel 1. Die Verwendung mindestens eines Quartzkristalls als Resonator zum Antrieb einer lonenfalle, um Antriebsrauschen zu filtern, eine Leistungsverminderung des Antriebs zu erreichen, oder beides, wobei dieser Resonator direkt oder indirekt mittels einer oder mehrerer, elektrischer Kapazitäten oder anderer elektrischer Bauelemente an Elektroden einer lonenfalle angeschlossen ist.

Beispiel 2. Die Verwendung mindestens eines keramischen Resonators oder keramischen Filters als Resonator zum Antrieb einer lonenfalle, um Antriebsrauschen zu filtern, eine Leistungsverminderung des Antriebs zu erreichen, oder beides, wobei dieser Resonator direkt oder indirekt mittels einer oder mehrerer, elektrischer Kapazitäten oder anderer elektrischer Bauelemente an Elektroden einer lonenfalle angeschlossen ist.

Beispiel 3. Die Verwendung mindestens eines Oberflächenwellenfilters als Resonator zum Antrieb einer lonenfalle, um Antriebsrauschen zu filtern, eine Leistungsverminderung des Antriebs zu erreichen, oder beides, wobei dieser Resonator direkt oder indirekt mittels einer oder mehrerer, elektrischer Kapazitäten oder anderer elektrischer Bauelemente an Elektroden einer lonenfalle angeschlossen ist.

Beispiel 4. Die Verwendung mindestens eines MEMS-Bauteils als Resonator zum Antrieb einer lonenfalle, um Antriebsrauschen zu filtern, eine Leistungsverminderung des Antriebs zu erreichen, oder beides, wobei dieser Resonator direkt oder indirekt mittels einer oder mehrerer, elektrischer Kapazitäten oder anderer elektrischer Bauelemente an Elektroden einer lonenfalle angeschlossen ist.

Beispiel 5. Die Verwendung mindestens eines piezoelektrischen Resonators, piezoelektrischen Transformator, oder piezoelektrischen Resonanztransformators als Resonator zum Antrieb einer lonenfalle, um Antriebsrauschen zu filtern, eine Leistungsverminderung des Antriebs zu erreichen, oder beides, wobei dieser Resonator direkt oder indirekt mittels einer oder mehrerer, elektrischer Kapazitäten oder anderer elektrischer Bauelemente an Elektroden einer lonenfalle angeschlossen ist.

Beispiel 6. Die Verwendung eines RC-Tiefpasses mit einem Widerstand größer als ein Me- gaohm, wobei die Kapazität entfallen kann bzw. ausschließlich von parasitärer Kapazität geformt werden kann, an einer mit Wechselspannung an einem Resonator betriebenen lonenfallenelektrode, um eine gewünschte Gleichspannung oder eine sich im Vergleich zur lonenfallenantriebswechselspannung nur langsam ändernde Spannung als Offset zu dieser Antriebswechselspannung anzulegen. Beispiel 7. Die Verwendung eines beliebigen Tiefpasses an einer mit Wechselspannung an einem Resonator betriebenen lonenfallenelektrode, um einen gewünschten Gleichspannungsoffset oder eine sich im Vergleich zur lonenfallenantriebswechselspannung nur langsam ändernde Spannung als Offset zu dieser Antriebswechselspannung anzulegen. Beispiel 8. Die Verwendung eines kapazitiven Spannungsteilers zur Messung oder Regelung der an lonenfallenelektroden angelegten Wechselspannung, wobei dieser Spannungsteiler innerhalb der Vakuumkammer ist, in der sich die lonenfalle befindet.

Beispiel 9. Eine elektrische Ansteuerung eines zum Antrieb einer lonenfalle eingesetzten und in seiner Resonanzfrequenz erkennbar amplitudenabhängigen Resonators, wobei die Frequenz der Ansteuerung der Resonanzfrequenz entweder nachgestellt oder nachgeregelt wird, auch wenn sie ohne Ermittlung der momentanen Resonanzfrequenz oder Schwingungsamplitude nur nach einen festen Schema einen Frequenzbereich durchfährt.