Atome und Supraleiter gekoppelt

Moderne Quanten­technologien sollen in den kommenden Dekaden die Informations­verarbeitung, die Kommunikation und die Sensorik revo­lutionieren. Die Grund­bausteine für künftige Quanten­prozessoren sind zum Beispiel Atome, supraleitende quanten­elektronische Schaltkreise, Spin­kristalle in Diamanten und Photonen. In den vergan­genen Jahren ist klar geworden, dass keiner dieser Quanten­bausteine in der Lage ist, alle Anfor­derungen wie das Empfangen und Speichern von Quantensignalen, deren Verarbeitung und Übertragung zu erfüllen. Der Forschungs­gruppe um József Fortágh, Reinhold Kleiner und Dieter Kölle vom Physika­lischen Institut der Univer­sität Tübingen ist es nun erstmals gelungen, magne­tisch gespeicherte Atome auf einem Chip an einen supra­leitenden Mikro­wellen-Resonator zu koppeln.

Die Verbin­dung dieser beiden Bausteine ist ein wesent­licher Schritt in der Kon­struktion eines hybriden Quanten­systems aus Atomen und Supra­leitern, um die weitere Entwicklung von Quanten­prozessoren und Quanten­netzwerken zu ermög­lichen. „Um diese neuen Techno­logien in den Alltag umzusetzen, müssen wir grund­legend neue Hardware­komponenten entwickeln“, sagt Fortágh. Statt der klas­sischen Signale unserer heutigen Techno­logie, den klas­sischen Bits, die nur den Wert null oder eins annehmen können, muss die neue Hardware verschränkte Quanten­zustände verarbeiten können. „Erst durch die Kombi­nation von unter­schiedlichen Quanten­bausteinen erlangt man die volle Funk­tionalität“, sagt Fortágh.

So lassen sich mit supra­leitenden Schalt­kreisen schnelle Rechen­operationen durchführen, die Speicherung ist jedoch nur auf sehr kurzen Zeitskalen möglich. Neutrale Atome, die über einer Chipober­fläche schweben, sind auf der anderen Seite aufgrund ihrer geringen Wechsel­wirkungs­stärke mit der Umgebung ideal als Quanten­speicher und Emitter für Photonen für die Signal­übertragung. Daher haben die Forscher zwei Komponenten zu einem Hybrid zusammen­gesetzt. Das hybride Quanten­system verbindet die kleinsten quanten­elektronischen Bausteine der Natur, die Atome, mit künst­lichen Schalt­kreisen, den supra­leitenden Mikro­wellen-Resonatoren. „Wir nutzen die Funk­tionalität und Vorteile von beiden Kompo­nenten“, sagt Helge Hatter­mann. „Die Kombination der beiden ungleichen Quanten­systeme könnte die Realisierung eines Quanten­prozessors mit supra­leitenden Quanten­gattern, atomarem Quanten­speicher und photo­nischen Qubits ermög­lichen.“

Das neue Hybrid­system für künftige Quanten­prozessoren und deren Vernetzung bildet eine Parallele zur heutigen, ebenfalls hybriden Techno­logie, wie ein Blick in die Hardware eines Computers offenbart: Rechen­operationen werden durch mikro­elektronische Schaltungen durch­geführt, Informa­tionen werden auf magne­tischen Medien gespeichert und Daten werden durch faser­optische Leitungen über das Internet übertragen. „Ähnlich zeichnet sich für künftige Quanten­rechner und deren Netzwerke ab, dass sie für die volle Funk­tionalität einen hybriden Ansatz und disziplin­übergreifende Forschungs- und Entwicklungs­arbeiten erfordern“, sagt Fortágh.

U. Tübingen / JOL