Optischer Aufbau als Hindernis 

«Die herkömmliche Optik ist schon in den heutigen Systemen im kleinen Massstab eine bedeutende Rausch-​ und Fehlerquelle – und es wird immer schwieriger, das im Zaum zu halten, je grösser die Computer werden», erklärt Mehta. Je mehr Qubits man hinzufügt, desto komplexer wird auch die Optik für die Laserstrahlen, die zur Steuerung der Qubits nötig sind. «Dort setzt unser Konzept an», fügt Chi Zhang, Doktorand in Homes Arbeitsgruppe, hinzu: «Indem wir winzige Wellenleiter in die Chips integrieren, auf denen sich die Elektroden zum Einfangen der Ionen befinden, können wir das Licht direkt zu den Ionen leiten. Vibrationen des Kryostaten oder anderer Bauteile verursachen daher wesentlich weniger Störungen.» 

Die Forscher liessen in einem kommerziellen Halbleiterwerk Chips herstellen, die sowohl Gold-​Elektroden für die Ionenfallen als auch, in einer tieferen Schicht, Wellenleiter für Laserlicht enthalten. An einem Ende der Chips speisen Glasfasern das Licht in die nur 100 Nanometer grossen Wellenleiter ein, wodurch die Chips effektiv in ihrem Innern optisch verdrahtet werden. Jeder Wellenleiter führt zu einem bestimmten Punkt auf dem Chip, wo das Licht schliesslich zu den gefangenen Ionen an der Oberfläche umgelenkt wird.

In einer vor wenigen Jahren veröffentlichten Arbeit (von einigen der Autoren der jetzigen Studie, gemeinsam mit Forschenden des MIT und des dortigen Lincoln Laboratory) konnte bereits gezeigt werden, dass dieser Ansatz grundsätzlich funktioniert. Nun hat die ETH-​Gruppe die Technik weiterentwickelt und so weit verfeinert, dass man mit ihr auch fehlerarme Quanten-​Logikgatter zwischen verschiedenen Atomen ausführen kann, eine wichtige Voraussetzung für den Bau von Quantencomputern.