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NIM nanosystems initiative munich
Aktuelles

Dienstag, 15. Juli 2008

Symmetrie macht den Unterschied

Steuerbare Symmetriebrechung in künstlichen Festkörperatomen eröffnet neue Möglichkeiten bei der Realisierung von Schaltkreisen für Quantencomputer

Supraleitende Schaltkreise mit Abmessungen im Bereich von 100 nm bis zu  einigen Mikrometern verhalten sich trotz ihrer im Vergleich zu natürlichen Atomen riesigen Abmessungen in vielerlei Hinsicht wie „künstliche Atome“. Ihre Elektronen sitzen auf deutlich voneinander getrennten (diskreten) Energie-Niveaus und können im einfachsten Fall als quantenmechanische Zweiniveausysteme betrachtet werden. Da solche Systeme zwei Zustände einnehmen können, wie die Bits in einem Computerspeicher (0 und 1), bezeichnet man sie auch als „Quantenbits“ oder kurz als „Qubits“. Solche Qubits  werden im Rahmen des Exzellenzclusters „Nanosystems Initiative Munich (NIM)“ und des Sonderforschungsbereichs 631 der Deutschen Forschungsgemeinschaft intensiv untersucht. Sie sind nicht nur mögliche Grundbausteine für superschnelle Quantencomputer der Zukunft, sondern ermöglichen als Modellsysteme auch Einblicke in die Quantenphysik makroskopischer Systeme. Die vorab in der Online-Ausgabe der Fachzeitschrift „Nature Physics“ veröffentlichten aktuellen Forschungsergebnisse der Arbeitsgruppe um den Physik-Professor Rudolf Gross vom Walther-Meißner-Institut der Bayerischen Akademie der Wissenschaften und der Technischen Universität München werfen ein neues Licht auf die fundamentalen Symmetrieeigenschaften von Quantenschaltkreisen und deren nichtlineare Dynamik und lassen den Traum vom ultraschnellen Quantencomputer ein wenig realistischer erscheinen.

Im Gegensatz zu natürlichen Atomen können die Eigenschaften der künstlichen Festkörperatome von außen beispielsweise durch elektrische oder magnetische Felder gezielt beeinflusst und über einen weiten Bereich variiert werden. Diese Steuerbarkeit wurde jetzt von Forschern in der Arbeitsgruppe von Prof. Gross am Walther-Meißner-Institut  (Bayerischen Akademie der Wissenschaften und Technische Universität München) in einer Zusammenarbeit mit den NTT Basic Research Laboratories in Japan und der LMU München dazu benutzt, die Symmetrie für ein „supraleitendes Festkörperatom“  gezielt zu brechen.  In den faszinierenden Experimenten wurden künstliche supraleitende Atome untersucht, die an die quantisierten Schwingungszustände (auch „Moden“ genannt) eines  Mikrowellenresonators gekoppelt sind.  Solche Systeme bilden das Pendant zu den in der Quantenoptik intensiv untersuchten gekoppelten Systemen aus natürlichen Atomen und optischen Resonatoren. In Analogie zur optischen Cavity-Quantenelektrodynamik (Cavity-QED) wird deshalb dieses junge und prosperierende Forschungsgebiet als Circuit-QED, auf Deutsch „Schaltkreis-QED) bezeichnet. Die jetzt in der Fachzeitschrift „Nature Physics“ veröffentlichten Forschungsergebnisse zeigen, dass das Verhalten des gekoppelten Systems aus supraleitendem Qubit und Mikrowellenresonator durch eine Frequenzkonversion (Umwandlung) der Mikrowellenphotonen bestimmt wird. Das Auftreten dieses Prozesses hängt von den zugrundeliegenden Symmetrieeigenschaften ab (siehe Abbildung), die durch äußere Kontrollparameter -   in diesem Fall durch den magnetischen Fluss - gezielt eingestellt werden können.

Die erzielten Ergebnisse der Arbeit werfen ein neues Licht auf die fundamentalen Symmetrieeigenschaften von Quantenschaltkreisen und deren nichtlineare Dynamik. Die für künstliche Quantensysteme mögliche steuerbare Symmetriebrechung kann nicht nur für das Studium grundlegender Fragestellungen zur Atom-Licht-Wechselwirkung, sondern auch für zahlreiche Anwendungen ausgenutzt werden.  Zu nennen sind hierbei vor allem parametrische Frequenzkonversion, die kontrollierte Erzeugung einzelner Mikrowellenphotonen oder die Erzeugung von gequetschten Quantenzuständen („Squeezing“).

Publikation:

Two-photon probe of the Jaynes–Cummings model and controlled symmetry breaking in circuit QED, Frank Deppe, Matteo Mariantoni, E. P. Menzel, A. Marx, S. Saito, K. Kakuyanagi, H. Tanaka, T. Meno, K. Semba, H. Takayanagi, E. Solano & R. Gross, Nature Physics, published online: 29 June 2008; doi:10.1038/nphys1016

Ansprechpartner:

Prof. Dr. Rudolf Gross
Walther-Meißner-Institut, Bayerische Akademie der Wissenschaften
und Physik-Department, Technische Universität München
Tel.: +49 (0)89 / 289 – 14201
E-Mail: Rudolf.Gross(at)wmi.badw.de
Web: www.wmi.badw-muenchen.de

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