Schritt in Richtung langlebigem Quantengedächtnis: NUST MISIS-Wissenschaftler bringen Photonen zum Interagieren

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Ein internationales Forscherteam kann zum ersten Mal experimentelle Beweise für eine effektive Wechselwirkung zwischen Mikrowellenphotonen über supraleitende Qubits vorlegen. Die in npj Quantum Materials (https://www.nature.com/articles/s41535-021-00310-z) veröffentlichte Studie könnte ein Schritt in Richtung eines langlebigen Quantenspeichers und der Entwicklung kommerzieller Quantenvorrichtungen sein.

Wissenschaftler glauben, dass einzelne Lichtteilchen oder Photonen perfekt dafür geeignet sind, Quanteninformationen zu senden. Mit Quantendaten kodiert, könnten sie buchstäblich Informationen mit Lichtgeschwindigkeit übertragen. Zwar würden Photonen aufgrund ihrer Geschwindigkeit großartige Träger darstellen, allerdings interagieren sie nicht gern miteinander, was es schwierig macht, eine Quantenverschränkung zu erreichen.

Einem Team von Wissenschaftlern der NUST MISIS, dem Karlsruher Institut für Technologie, dem Russian Quantum Center und dem Joffe-Institut St. Petersburg ist es erstmals gelungen, Photonen mithilfe einer Reihe supraleitender Qubits und eines Wellenleiters effektiv miteinander interagieren zu lassen. In ihren Experimenten verwendeten die Forscher Photonen mit der Frequenz von wenigen GHz und der Wellenlänge von wenigen Zentimetern.

“Wir haben supraleitende Qubits verwendet, die im Grunde künstliche Atome sind, weil sie nachweislich stark mit Licht interagieren. Die Wechselwirkung zwischen natürlichen Atomen und natürlichem Licht ist aufgrund der geringen Größe natürlicher Atome schwach. Supraleitende Qubits sind vom Menschen gebaut, ihre Größe kann bis zu 0,1 mm erreichen, was es ermöglicht, ihr Dipolmoment und ihre Polarität deutlich zu erhöhen und eine starke Wechselwirkung zwischen Licht und Materie zu entwickeln”, erklärte Prof. Alexey Ustinov, Leiter des Labors für supraleitende Metamaterialien bei der NUST MISIS und Gruppenleiter am Russian Quantum Center, der die Studie mitverfasst hat.

Supraleitende Qubits sind heute eine führende Qubit-Modalität, die derzeit von der Industrie und der Wissenschaft für Quantencomputer-Anwendungen verfolgt wird. Allerdings benötigen sie Millikelvin-Temperaturen (mK), um zu funktionieren. Die leistungsstärkste der aktuellen supraleitenden Quantenvorrichtungen enthält weniger als 100 Qubits. Beim Hinzufügen von Qubits wächst die Anzahl der Vorgänge, die ein Quantencomputer ausführen kann, exponentiell. Die maximale Anzahl von Qubits, die in einen Quantencomputer integriert werden können, ist jedoch durch die Größe der Kühlschränke begrenzt, mit denen sie auf Betriebstemperatur gekühlt werden. Vor diesem Hintergrund konzentrieren sich die Bemühungen der Wissenschaftler in letzter Zeit darauf, die Rechenleistung eines Quantencomputers durch die Übertragung von Quantensignalen von einem Kühlschrank zum anderen zu erhöhen. Um diese Übertragung zu konstruieren, koppelten die Wissenschaftler acht supraleitende Transmon-Qubits an einen gemeinsamen Wellenleiter – eine Struktur, die Wellen wie beispielsweise Lichtwellen leitet.

“Durch die Verwendung dedizierter Flussvorspannungsleitungen für jedes Qubit erlangen wir die Kontrolle über ihre Übergangsfrequenzen. Es ist abgeleitet und experimentell bestätigt worden, dass mehrere Qubits eine durch Photonen vermittelte effektive Wechselwirkung mit unendlicher Reichweite erhalten, die an den Abstand zwischen den Qubits angepasst werden kann”, so Alexey Ustinov.

Die Schaltung dieser Arbeit erweitert Experimente mit einem und zwei Qubits auf ein ausgewachsenes Quantenmetamaterial und ebnet so den Weg für groß angelegte Anwendungen in der supraleitenden Wellenleiter-Quantenelektrodynamik.

Link – https://en.misis.ru/university/news/science/2021-04/7320/

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Dina Moiseeva
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