Physiker erreichen starke Kopplung von Andreev-Qubits mittels Mikrowellenresonator

Physikern der Universität Basel ist es erstmals gelungen, zwei Andreev-Qubits über eine makroskopische Distanz kohärent zu koppeln. Dies gelang ihnen mithilfe von Mikrowellenphotonen, die in einem schmalen supraleitenden Resonator erzeugt wurden. Die Ergebnisse der Experimente und die dazugehörigen Berechnungen wurden kürzlich in veröffentlicht Natürliche PhysikLegen Sie den Grundstein für die Verwendung gekoppelter Andreev-Qubits in der Quantenkommunikation und im Quantencomputing.

Quantenkommunikation und Quantencomputing arbeiten auf der Basis von Quantenbits (Qubits) als kleinster Informationseinheit im Verhältnis zu den Bits eines klassischen Computers. Unter den vielen verschiedenen Ansätzen, die derzeit weltweit untersucht werden, ist die Verwendung von Andreev-Paar-Qubits eine vielversprechende Option.

Diese Qubits entstehen an den Grenzflächen zwischen einem Metall und einem Supraleiter in einem Prozess, der als Andreev-Reflexion bekannt ist. Dabei gelangt ein Elektron aus dem Metall in den Supraleiter, wo es Teil eines Elektronenpaares (Cooper-Paar) wird, während ein Loch, das sich wie ein positives Teilchen verhält, in das Metall zurückreflektiert wird.

Basierend auf diesem Prozess werden an der Grenzfläche dieser Materialien diskrete Paare gebundener Zustände gebildet. Sie sind als Andreev-gebundene Zustände bekannt und können als Basiszustände eines Qubits dienen. Diese Zustände sind relativ robust gegenüber äußeren Störungen und die Kohärenzzeit (die Zeit, während der die Überlagerung aufrechterhalten wird) ist relativ lang. Sie lassen sich auch leicht steuern und in moderne elektronische Schaltkreise integrieren. All diese Faktoren sind für die Entwicklung zuverlässiger und skalierbarer Quantencomputer von Vorteil.

Austausch zwischen zwei Quantensystemen

Forscher haben nun eine starke quantenmechanische Kopplung zwischen zwei Andreev-Qubits erreicht, die sich jeweils in einem Halbleiter-Nanodraht befinden. Die Ergebnisse zeigen eine hervorragende Übereinstimmung mit theoretischen Modellen.

„Wir haben die beiden Qubits des Andreev-Paares mit großem Abstand an beiden Enden eines langen supraleitenden Mikrowellenresonators gekoppelt. Dies ermöglicht den Austausch von Mikrowellenphotonen zwischen dem Resonator und den Qubits“, erklärt Professor Christian Schönenberger vom Fachbereich Physik und der Schweizer Institut für Nanowissenschaften der Universität Basel, dessen Team die Experimente durchführte.

Der Mikrowellenresonator kann auf zwei verschiedene Arten genutzt werden: In einem Modus können Qubits durch den Resonator gelesen werden, was den Forschern Informationen über ihren Quantenzustand liefert. Ein zweiter Modus wird verwendet, um die beiden Qubits miteinander zu koppeln, sodass sie „kommunizieren“ können, ohne Mikrowellenphotonen zu verlieren. Die beiden Qubits sind dann nicht mehr unabhängig voneinander, sondern teilen sich einen neuen Quantenzustand, der für die Entwicklung von Quantenkommunikation und Quantencomputern von entscheidender Bedeutung ist.

„In unserer Arbeit kombinieren wir drei Quantensysteme, sodass sie miteinander Photonen austauschen können. Unsere Qubits selbst sind nur etwa 100 Nanometer groß, und wir koppeln sie über eine makroskopische Distanz von 6 Millimetern“, erklärt Dr. Andreas Baumgartner. einer der Co-Autoren des Artikels. „Dabei konnten wir zeigen, dass sich Andreev-Paar-Qubits als kompakte und skalierbare Halbleiter-Qubits eignen.“