Langlebige Quantenzustände ermöglichen Quantenberechnungen
Sowohl optische als auch Halbleiter-Verschränkungen eröffnen potenzielle Wege für Quantenberechnungen und eine sichere Kommunikation. Künstliche Atome, welche denselben physikalischen Eigenschaften und Konzepten wie in der Kavitäts-Quantenelektrodynamik zugrundeliegen, die in der Halbleiterarchitektur als Schaltkreis-Quantenelektrodynamikbezeichnet wird, bestehen aus Josephsonschen Supraleitverbindungen, die an supraleitende On-Chip-Resonatoren gekoppelt sind. Resonatoren ermöglichen eine kontrollierte elektromagnetische Umgebung, in der Qubits vor Energierelaxationen geschützt sind. Trotz der Tatsache, dass in der Schaltkreis-Quantenelektrodynamik über die Jahre spektakuläre Fortschritte erzielt worden sind, stellt der Erhalt der Kohärenz bei supraleitenden Qubits oftmals eine Herausforderung dar, da diese Systeme eine starke Bindung zu elektromagnetischen Feldern haben. Die Schaltkreise müssen nicht dissipativ sein – die beinhalteten metallischen Teile dürfen bspw. keinen Widerstand haben – damit Signale ohne Energieverlust und somit ohne Kohärenzverlust von einer Stelle des Schaltkreises an eine andere Stelle übertragen werden können. Im Rahmen des EU-finanzierten Projekts CQ3D (3D circuit quantum electrodynamics with flux qubits) entwickelten Wissenschaftler neue Möglichkeiten zur Steuerung, Kopplung und Messung supraleitender Qubits in einer nahezu idealen elektromagnetischen Umgebung mit minimalen Zusatzschaltkreisen, um eine Dekohärenz zu vermeiden. Es wurden unterschiedliche experimentelle Systeme erprobt, um die Verarbeitung supraleitender Qubits und Resonatoren zu untersuchen. Zunächst baute das Team ein Experiment auf, bei dem aus Aluminium bestehende Transmon-Qubits an einen 3D-Resonator gekoppelt wurden. Das Ziel bestand darin, die vorherrschenden Energierelaxationsmechanismen, einschließlich von Quasipartikel-Tunneleffekten, näher zu beleuchten. Bezüglich der spinbasierten physikalischen Implementierung von Qubits nutzten die Wissenschaftler Stickstoff-Fehlstellen-Zentren, eine spezielle Art von Defekt in Diamanten, um den Elektronenspin an Resonatoren zu koppeln. Durch die Einbindung von maschinell bearbeiteten 3D-Kavitäten wie bspw. tief geätzten Substraten und großen kapazitiven Lücken in planare (2D-)Resonatoren, wurde die Leistungskluft zwischen den beiden Elementklassen begrenzt. Schließlich realisierte das Team Flux-Qubits und beschrieb die Kohärenz dieser supraleitenden, an Resonatoren gekoppelten Bits. Die Wahrung einer langen Kohärenz supraleitender Bits ist notwendig für praktische Computerberechnungen, da ohne diese die Magie der Quantenberechnungen verloren geht. Die starke Bindung supraleitender Qubits an 3D-Resonatoren eröffnet neue Chancen im Bereich der Quantenberechnung, da hierdurch zwei Größenordnungen mit längeren Kohärenzzeiten möglich sind. Die Projektergebnisse wurden über vier Publikationen verbreitet.
Schlüsselbegriffe
Quantenberechnung, supraleitende Qubits, Kohärenzzeiten, CQ3D, Flux-Qubits
