Onderzoekers van het Walter Meyssner-instituut van de Academie van Wetenschappen in Beieren hebben voor het eerst de symmetrie van kunstmatige vaste stof atomen gericht gebroken. Het proces opent nieuwe mogelijkheden bij de realisering van kwantum schakelkringen. De Qubits rukken op ……..
Supergeleidende schakelkringen, met afmetingen in het orde van grootte van 100 nm tot enkele micrometers, gedragen zich (ondanks hun in vergelijking tot de natuurlijke atomen gigantische afmetingen) in veel opzichten als kunstmatige atomen. Ze hebben een discrete niveaustructuur en kunnen in het simpelste geval als een kwantummechanisch twee- niveausysteem worden beschouwd, die men ook als kwantumbits of Qubits aanduidt.
Zulke Qubits worden in het kader van het cluster ‘Nanosystems Initiative Munich (NIM) en in het ‘Sonderforschungsbereich 631’ van de Deutsche Forschungsgemeinschaft intensief bekeken. Ze vormen niet alleen de basis voor de op vaste stof gebaseerde kwantum informatiesystemen, maar maken ook inzicht mogelijk in macroscopische kwantum fysica systemen.
Kunstmatige vaste atomen
In tegenstelling tot natuurlijke atomen kunnen de eigenschappen van kunstmatige vaste stof atomen van buitenaf gericht worden gecontroleerd en over een breed bereik gevarieerd, bijvoorbeeld door elektrische of magnetische velden. Deze bestuurbaarheid wordt door de onderzoekers Walter-Meyssner-Institut in samenwerking met het NTT Basic Research Laboratorium in Japan en de LMU München gebruikt om de symmetrie voor supergeleiding van vaste stof atomen gericht te doorbreken.
In experimenten werden kunstmatige supergeleidende atomen onderzocht, die gekoppeld werden aan de trillingsfrequentie van een microgolfresonator. Zulke systemen vormen een tegenhanger voor de in de kwantumoptica intensief onderzochte gekoppelde systemen van natuurlijke atomen en optische resonatoren. In analogie met de optische Cavity-Quantem elektrodynamica (Cavity-QED) wordt daarom het nieuwe onderzoeksgebied als Circuit-QED aangeduid.
Resultaten
Uit het onderzoek blijkt dat het gedrag van gekoppelde systemen van supergeleidende Qubits en een microgolfresonator wordt bepaald door een frequentieconversieproces van de microgolf fotonen. Het optreden van dit proces hangt af van de ten grondslag liggende symmetrie eigenschappen (zie afbeelding), die door uitwendige controle parameters (in dit geval magnetische flux) gericht kunnen worden ingesteld.
Het gedrag van gekoppelde systemen van supergeleidende Qubits en een microgolfresonator wordt bepaald door een frequentieconversieproces van de microgolf fotonen.
De resultaten werpen een nieuw licht op de fundamentele symmetrie eigenschappen van de kwantumschakelkringen en hun inherente niet-lineaire dynamiek. De voor kunstmatige kwantumsystemen mogelijke bestuurbare symmetriebreking kan niet alleen worden gebruikt voor de aan het onderzoek ten grondslag liggende vraagstelling van de atoom-licht- wisselwerking, maar ook voor talrijke andere toepassingen. Voorbeelden zijn parametrische frequentieconversie, gecontroleerde opwekking van aparte microgolf fotonen en het opwekken van afwijkende kwantum toestanden (Squeezing).
