Projektbeschreibung
Neue Experimente mit Quantenphänomenen in supraleitenden Quantenpunkten
Ziel des EU-finanzierten Projekts FERMIcQED ist die Erforschung von Wechselwirkungen neuartiger Quantenmaterialien mit Mikrowellen auf der Ebene einzelner Fermionen und Photonen. Um dieses ehrgeizige Ziel zu erreichen, werden im Rahmen des Projekts niedrigdimensionale Quantenleiter mit Architekturen gemäß Stand der Technik und Verfahren der Schaltungs-Quantenelektrodynamik (circuit quantum electrodynamics; circuit QED) kombiniert. Die Idee lautet, einen einzelnen fermionischen Freiheitsgrad innerhalb eines hybriden Josephson-Kontakts zu isolieren. Dabei geht es um einen Quantenpunkt, der mit zwei Supraleitern verbunden ist. Aufgrund des supraleitenden Näherungseffekts bilden sich im Quantenpunkt verschränkte Elektron-Loch-Zustände, die von der supraleitenden Phasendifferenz abhängen. Der in einem supraleitfähigen photonischen Hohlraum eingeschlossene Hybrid-Josephson-Effekt bewirkt die Kopplung dieser fermionischen Zustände an Mikrowellen. Auf diese Weise können deren Quanteneigenschaften in einer gut kontrollierbaren Umgebung untersucht werden.
Ziel
FERMIcQED aims at interfacing novel quantum materials with microwave light at the level of the single photon and fermion. To achieve this ambitious goal, I plan to use low-dimensional quantum conductors – such as carbon nanotubes or semiconducting nanowires – combined with state-of-the-art architectures and techniques of circuit Quantum Electrodynamics. The idea consists in isolating an individual fermionic degree of freedom within a hybrid Josephson junction – a quantum dot connected to two superconductors. Due to the superconducting proximity effect, entangled electron-hole states – called the Andreev bound states – form in the quantum dot and depend on the superconducting phase difference. By enclosing the hybrid Josephson junction inside a superconducting photonic cavity, one can couple these fermionic states to microwave light and probe their quantum properties in a well-controlled environment.
Specifically, FERMIcQED will tackle three key experiments. First, we will detect the spin degree of freedom of the Andreev bound states and manipulate it coherently as a superconducting spin qubit. We will demonstrate strong coupling with cavity photons, which will enable quantum logic operations and long-range qubit interactions. Second, we will operate the hybrid Josephson junction in the topological regime in order to observe and manipulate Majorana fermions, thus implementing a topological qubit. At last, we will probe the joint entangled dynamics of bosonic and fermionic modes that coexist in hybrid Josephson junctions and simulate the spin-boson problem.
Wissenschaftliches Gebiet
- natural sciencesphysical sciencestheoretical physicsparticle physicsfermions
- engineering and technologyelectrical engineering, electronic engineering, information engineeringelectronic engineeringcomputer hardwarequantum computers
- natural sciencesphysical scienceselectromagnetism and electronicssuperconductivity
- natural sciencesphysical sciencestheoretical physicsparticle physicsphotons
Schlüsselbegriffe
Programm/Programme
Thema/Themen
Finanzierungsplan
ERC-STG - Starting GrantGastgebende Einrichtung
91128 Palaiseau Cedex
Frankreich