Arbeitsgruppe Supraleitende Quantenschaltkreise

Hybrid-Quantensysteme

Zukünftige Quantennetzwerke werden eine Vielzahl von Quantensystemen verbinden, die auf unterschiedlichen physikalischen Prinzipien beruhen können. Photonen sind ideale Quanteninformationsträger, die sich effizient und nur mit geringem Verlust auch über weite Entfernungen durch Glasfasern schicken lassen. Andererseits lassen sich mit Festkörpersystemen, z.B. supraleitenden Schaltkreisen, schnelle und gut skalierbare Hybrid-Quantengatter realisieren, die als Bindeglied zwischen photonischen und auf Festkörpersystemen beruhenden Qubits guten Aussichten auf ein weiträmig vernetztes Quantencomputing eröffnen. Ensembles von optisch aktiven Spins sind vielversprechende Kandidaten für einen solchen Quanteninformationswandler. Spinensembles aus in eine Y₂SiO₅-Kristallmatrix dotierten Seltene-Erden-Ionen Er³⁺ spielen aufgrund des optischen Übergangs der Erbium-Ionen bei einer Wellenlänge von 1.54 μm eine besondere Rolle, da diese genau zu dem verlustarmen C-Band der Glasfaser-Telekommunikation passt.

Quantenphasenschlupf-Phänomene in supraleitenden Nanodrähten

In dünnen supraleitenden Filaments führen Quantenfluktuationen des Ordnungsparameters zu sehr ungewöhnlichen physikalischen Eigenschaften. Auf diese Weise kann ein supraleitender Draht in einem Phasenübergang in einen isolierenden Zustand übergehen.

Wir führen an diesen ungewönlichen Drähten Experimente bei tiefen Temperaturen aus und beobachten die Phasenschlupf-Phänomene anhand der Streuung von kohäherenten Mikrowellenphotonen bei sehr niedriger Mikrowellenleistung. Aufgrund ihrer intrinsischen Nichtlinearität können Quantum-Phasenschlupf-Drähte in supraleitenden Schaltkreisen zur Realisierung eines Zwei-Zustände-Systems und damit eines Qubits verwendet werden.

Darstellung der Fluktuationen des supraleitenden Ordnungsparameters längs eines Nanodrahts. Das darunterligende SEM-Bild zeigt einen am KIT hergestellten 20 nm dünnen Draht aus Aluminiumoxid.