Aktuell werden verschiedene Technologien, z.B. Ionen, neutrale Atome oder supraleitende Qubits, verwendet, um große Quantenprozessoren für Quantenberechnungen sowie Quantensimulationen zu entwickeln. Neutrale, in Registern von optischen Pinzetten gefangene, Atome stellen dabei eine vielseitige Plattform dar, bei der die Quantensysteme gut von ihrer Umgebung entkoppelt sowie ihre internen und externen Freiheitsgrade präzise manipuliert werden können. Durch die Anregung der Atome in Rydbergzustände können Wechselwirkungen wählbarer Stärke erreicht werden, welche die Durchführung von Gatteroperationen sowie die Implementierung von Spin-Hamiltonians erlauben. Für alle Formen von Quantenprozessoren ist dabei die Skalierbarkeit des Systems entscheidend für den zukünftigen Fortschritt.

In dieser Arbeit wurde ein neuer, experimenteller Aufbau zum Fangen neutraler Rb85-Atome in mikrolinsenbasierten Fallenregistern entwickelt, mit welchem die Herausforderung der Skalierbarkeit adressiert und neue Methoden zur Präparation großer Quantensysteme mit neutralen Atomen demonstriert werden. Es wird eine detaillierte Einführung in den neuen Aufbau und dessen wichtigste Elemente gegeben. Das Design der neuen Vakuumkammer mit vielfältigen optischen Zugängen, welche die gängigsten Schemata von Rydberganregungen ermöglichen, wird dargestellt. Der experimentelle Aufbau wird mit Hilfe einer Python-basierten Experimentsteuersoftware kontrolliert, welche für die konditionale Steuerung innerhalb eines Experimentzyklus weiterentwickelt wurde. Der neue Aufbau ermöglicht es aus einer Wolke von lasergekühlten Atomen große Systeme von Einzelatomen in Fallenregistern zu präparieren. Dies stellt das gängige Verfahren bei der Erzeugung von Einzelatomquantensystemen dar.

Für zukünftige Anwendungen begrenzt diese Technik jedoch die erreichbaren Datenraten, da Quantenoperationen mit Phasen des Fangens und Kühlens von Atomen abgewechselt werden müssen, um unvermeidbare Atomverluste auszugleichen. Zur Überwindung dieser Limitierung wird eine Dipolfalle mit großem Fallenvolumen genutzt, welche lasergekühlte Atome vorhält, die mit Hilfe einer optischen Pinzette entnommen werden. Unter Verwendung eines Registers von Pufferfallen kann damit erstmals das deterministische Laden einer Zielstruktur aus einem Reservoir kalter Atome demonstriert werden. Werden ausschließlich Reservoiratome zum Beladen des leeren Fallenregisters genutzt, kann eine kumulierte Erfolgswahrscheinlichkeit für eine defektfreie Zielstruktur von 91.5(6) % erreicht werden. Für ein vorgeladenes Register wird eine Erhöhung der Erfolgswahrscheinlichkeit von 62.1(6) % auf 98.6(2) % gezeigt. Mit dieser neuartigen Methode ist es möglich, den Prozess der Einzelatompräparation in mehrere, funktionale Einheiten zu zerlegen, welche räumlich getrennt und parallelisiert betrieben werden können.

Durch die Verwendung eines neuen Mikroskopobjektivs mit einer höheren numerischen Apertur von 0.385(5) in einem modifizierten optischen Aufbau war es möglich, das Volumen der einzelnen Fallenplätze und somit die benötigte Laserleistung für jede einzelne Falle zu reduzieren. Diese Verbesserung wurde mit verschachtelten, durch individuelle Laserstrahlen erzeugten Fallenregistern kombiniert. Dies reduziert laserleistungsbedingte Limitierungen und erhöht somit erstmalig die Zahl der gefangenen Einzelatome über 1000. Mittels eines einzelnen Laserstrahls können bis zu 600 Einzelatome in einem quadratischen Register mit 5.17(2) µm Fallenabstand gefangen werden. Darauf aufbauend wird durch die Verwendung von zwei verschachtelten Registern die Präparation von im Mittel 1167(45) Einzelatome demonstriert. Dies zeigt deutlich die Skalierbarkeit von mikrolinsenbasierten Neutralatomplattformen, weshalb darauffolgend Möglichkeiten zur deterministischen Anordnung großer Atomregister sowie zur weiteren Skalierung hin zu mehreren tausend Einzelatomen skizziert werden.