Manipulation der Dunkelzustände supraleitender Schaltkreise in einem Mikrowellenwellenleiter

Experimentalphysikern um Gerhard Kirchmair ist es zusammen mit theoretischen Physikern der Universität Oulu, Finnland, erstmals gelungen, geschützte Quantenzustände – sogenannte Dunkelzustände – in supraleitenden Quantenbits zu kontrollieren. Die verschränkten Zustände sind 500-mal robuster und könnten in Quantensimulationen verwendet werden. Das Verfahren könnte auch auf anderen technologischen Plattformen eingesetzt werden.

Im Labor von Gerhard Kirchmair am Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften in Innsbruck, Österreich, werden supraleitende Quantenbits an Wellenleiter gekoppelt. Wenn mehrere dieser Quantenbits in den Wellenleiter eingebaut werden, interagieren sie miteinander, was zu sogenannten Dunkelzuständen führt. „Das sind verschränkte Quantenzustände, die vollständig von der Außenwelt entkoppelt sind“, erklärt Max Zanner, Erstautor der Arbeit.

„Sie sind sozusagen unsichtbar, weshalb sie dunkle Zustände genannt werden.“ Diese Zustände sind für Quantensimulationen bzw. die Verarbeitung von Quanteninformationen interessant und entsprechende Vorschläge wurden in den letzten Jahren mehrfach gemacht. Bisher war es jedoch nicht möglich, diese dunklen Zustände angemessen zu kontrollieren und zu manipulieren, ohne ihre Unsichtbarkeit zu brechen. Nun hat Kirchmairs Team ein System entwickelt, mit dem sich die Dunkelzustände supraleitender Schaltkreise in einem Mikrowellenleiter von außen manipulieren lassen.

Beliebig erweiterbar

„Bisher war das Problem immer, dunkle Zustände zu kontrollieren, die vollständig von der Umgebung entkoppelt sind“, sagt Kirchmair, der auch Professor für Experimentalphysik an der Universität Innsbruck ist. „Mit einem Trick ist es uns nun gelungen, Zugang zu diesen dunklen Zuständen zu finden.“

Sein Team baute vier supraleitende Quantenbits in einen Mikrowellenleiter ein und befestigte Steuerleitungen über zwei seitliche Zuführungen. Mittels Mikrowellenstrahlung über diese Drähte können die Dunkelzustände manipuliert werden. Zusammen bilden die vier supraleitenden Schaltkreise ein robustes Quantenbit mit einer etwa 500-mal längeren Speicherzeit als die einzelnen Schaltkreise. In diesem Quantenbit existieren gleichzeitig mehrere dunkle Zustände, die für Quantensimulation und Quanteninformationsverarbeitung verwendet werden können. „Dieses System lässt sich im Prinzip beliebig erweitern“, sagt Matti Silveri von der Nano and Molecular Systems Research Unit der Universität Oulu, Finnland.

Das erfolgreiche Experiment bildet den Ausgangspunkt für weitere Untersuchungen dunkler Zustände und ihrer Anwendungsmöglichkeiten. Diese liegen vorerst vor allem im Bereich der Grundlagenforschung, wo es noch viele offene Fragen zu den Eigenschaften solcher Quantensysteme gibt.

Das von den Innsbrucker Physikern entwickelte Konzept zur Kontrolle dunkler Zustände lässt sich prinzipiell nicht nur mit supraleitenden Quantenbits, sondern auch auf anderen technologischen Plattformen umsetzen. „Die von uns verwendeten Schaltkreise, die wie künstliche Atome funktionieren, haben Vorteile gegenüber echten Atomen, die viel schwieriger stark an einen Wellenleiter zu koppeln sind“, betont Gerhard Kirchmair.

Naturphysik hat die Ergebnisse in seiner aktuellen Ausgabe veröffentlicht.