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Eine der herausragenden Leistungen der modernen Physik ist die Entwicklung von experimentellen Methoden zur Isolierung, Manipulation und Steuerung von Systemen, deren Verhalten auf den Gesetzen der Quantenmechanik beruhen. Experimentelle Quantensysteme ermöglichen fundamentale Studien, in denen die oftmals kontraintuitiven Vorhersagen der Quantentheorie getestet werden können, eröffnen aber auch neuartige technologische Anwendungsmöglichkeiten, von der Datenverarbeitung und Kommunikation bis zur Sensorik. Doch während einzelne Quantentechnologien zusehends reifer werden, besteht eine aktuelle Herausforderung darin, Hybridsysteme zu konstruieren, die mehrere Arten von Quantensystemen in einer gemeinsamen experimentellen Plattform integrieren. Die ETH-Physiker Anna Stockklauser, Pasquale Scarlino und ihre Kollegen in der Gruppe von Andreas Wallraff haben sich nun mit den ETH-Gruppen von Thomas Ihn und Klaus Ensslin und von Werner Wegscheider zusammengetan, um dieses Problem anzugehen. Sie haben ein Instrument konstruiert, in dem einzelne elektrische Ladungen in einem Halbleiter an einen supraleitenden Resonator koppeln, der Photonen — die "Quanten des Lichts" — im Mikrowellen-Frequenzbereich beherbergt. Die Kopplung zwischen den beiden Quantensystemen ist die stärkste, die jemals in einem Hybridsystem dieser Art realisiert wurde, und könnte den Weg zu einem breiten Spektrum an Anwendungen ebnen.
Die Palette der Quantensysteme, die Wissenschaftlern heute zur Verfügung stehet, reicht von einzelnen Atomen, Ionen und Photonen bis hin zu komplexen künstlichen Systemen, einschliesslich winziger supraleitender Schaltkreise und Halbleiterstrukturen. Durch die Kombination des Know-Hows von Wallraffs Quantum Device Lab in supraleitenden Systemen und jenem der Nanophysik-Gruppe von Ensslin und Ihn in Halbleiterstrukturen, und mit Unterstützung der Fertigungsexperten in Wegscheiders Advanced Semiconductor Quantum Materials Labor, waren Stockklauser und Scarlino in der Lage, ein einzigartiges neues Hybridgerät zu entwerfen, konstruieren und zu testen. Gekoppelte Halbleiter–Supraleitersysteme gab es bereits vorher, aber dank eines neuen Ansatzes können nun Kopplungen realisiert werden, die bis zu sechsmal stärker sind als bei bisherigen Konstruktionen. Wichtig ist, dass die Stärke der Kopplung damit jene Grenze überschreitet, über welcher Energie schneller ausgetauscht werden kann, als dass Verluste in einem der Subsysteme auftreten. Mit anderen Worten: Die Energie in den empfindlichen Quantensystemen kann genutzt werden bevor sie aufgrund von unvermeidlichen Störungen von aussen verloren geht.
Der Schlüssel zum erfolgreichen Design ist ein Array von 32 supraleitenden Quanteninterferenzeinheiten (superconducting quantum interference devices; SQUIDs). Durch dieses Element (siehe Abbildung oben) wird die Impedanz des Systems erheblich erhöht; es macht es also für einen Strom schwerer, in den Schaltkreis hineinzufliessen. Dies wiederum bedeutet, dass das Feld im Mikrowellenhohlraum eine starke elektrische Komponente aufweist, die dann effizient an die einzelnen elektrischen Ladungen in der Halbleiterstruktur koppelt.
Diese Art der Kopplung ist wichtig, da Mikrowellenphotonen relativ einfach von einem Ort zum anderen übertragen werden können. Das neue Hybridsystem könnte daher zum Beispiel dazu dienen, entfernte Halbleiter- oder anderen Festkörpersystemen aneinander zu koppeln. Zudem ist die Frequenz des Hohlraums abstimmbar. Stockklauser und Scarlino haben gezeigt, dass das Hybridsystem damit dazu verwendet werden kann, die elektronischen Eigenschaften des im Hohlraum eingeschlossenen Materials systematisch abzutasten. Die Vielseitigkeit ihres Ansatzes bedeutet, dass die Methode auf eine Vielzahl von Quantensystemen angewendet werden könnte, die auf elektrischen Ladungen basieren.
Die Zusammenarbeit zwischen diesen drei Gruppen im Departement Physik ist ein Beispiel dafür, wie Fachwissen in verschiedenen Bereichen erfolgreich zusammengeführt werden kann, um innovative Lösungen für wichtige Probleme zu finden. Diese Bemühungen werden des Weiteren durch den Schweizerischen Nationalfonds unterstützt, über den Nationalen Forschungsschwerpunkte (NFS) Quantum Science and Technology (QSIT), in welchem die ETH Zürich die erste Heiminstitution ist.
Autor: Andreas Trabesinger