Aus dem Rand auf das Innere schließen
Topologie in der Mikrowellenphotonik kann Systeme von miteinander gekoppelten Quantenresonatoren verbessern.
Kleiner, vielseitiger, leistungsfähiger: Ein Team von Physikern aus Lausanne und Konstanz entwickelte fortschrittliche Bausteine für die Quantentechnologie in Form von neuartigen „Coupled Cavity Arrays“ (CCA), also miteinander gekoppelten Quantenresonatoren. Diese CCAs basieren auf der anorganischen Verbindung Niobiumnitrid, besitzen eine hohe kinetische Induktivität und sind bestens für supraleitende Anwendungen geeignet. Sie bilden damit eine vielversprechende Grundlage für optimierte Qubits eines künftigen Quantencomputers. Zugleich eröffnen sie neue Möglichkeiten für Quantensimulationen: Anhand dieser kontrollierten Modellsysteme lassen sich kompliziertere Quantenvorgänge einfacher erforschen. Eine entscheidende Rolle spielt bei diesen CCAs deren Topologie. Was dies mit einem zerknüllten Blatt Papier zu tun hat, verrät Co-Autor Oded Zilberberg, Professor am Fachbereich Physik der Universität Konstanz.
Weitere Nachrichten zum Thema
Stabile Qubits mit topologischen Isolatoren
Spinmoment von Meronen ermittelt
Bei der Topologie geht es um die Frage, wie die Anordnung eines Quantensystems in seiner Gänze seine einzelnen Bestandteile beeinflusst – und wie die Details wiederum das Ganze formen. Wie werden physikalische Prozesse von ihrer Umgebung beeinflusst? Und kann uns Wissen über die Topologie eines Systems dabei helfen, das Verhalten seiner Bestandteile vorherzusagen?
Was kompliziert klingt, lässt sich mit einer einfachen Analogie erklären. Wenn man etwa ein Blatt Papier in der Mitte zerknüllt, dann werden sich Knicke nicht nur in der Mitte bilden, sondern auch an den Kanten. Wenn man nur die Kanten des Papiers sehen kann und dort Knitterspuren findet, dann ist das ein guter Hinweis darauf, dass auch die Mitte des Papiers zerknittert sein könnte. In diesem Sinne liefert uns ein Blick auf die Kanten Informationen über das Zentrum, auch wenn wir es nicht sehen können.
Die Forschung von Oded Zilberberg folgt einer ähnlichen Logik. Nun erforscht Zilberberg zwar nicht Falten im Papier, dafür aber die Topologie von Photonen – den „elementaren Bausteinen des Lichts“ –, wie sie sich im Inneren eines strukturieren Materials bewegen. Oded Zilberberg ist ein Pionier der topologischen Photonik. Er interessiert sich für die Frage, wie die globale Struktur eines Quantensystems seine inneren Dynamiken beeinflusst. Ließe sich in einem Quantensystem durch eine optimierte Topologie auch ein vorteilhafteres Quantenverhalten erzielen? Und kann uns das sorgfältige Beobachten der Ränder eines Systems enthüllen, welche verborgenen physikalischen Prozesse sich in seinem Zentrum abspielen?
Im gemeinsamen Forschungsprojekt mit der EPFL verfolgte Zilberberg einen Ansatz, der dem Beispiel des zerknitterten Papiers durchaus ähnlich ist. Störungen im Inneren eines physikalischen Systems setzen sich zu seinen Rändern hin fort. Dies machte sich das Forschungsteam bei den neuen CCAs zunutze. Die Wissenschaftler können zwar das Innere nicht direkt einsehen, aber sie können die Ränder beobachten und daraus Rückschlüsse auf das Innere ziehen. Auf diese Weise detektieren sie Störungen und Verunreinigungen in den CCAs und sorgen für ein reibungsloses Funktionieren. Oded Zilberberg nennt sein Verfahren ein „Topology-inspired Disorder Meter“, also ein von der Topologie inspiriertes Messverfahren für Störungen. Mit diesem innovativen Messverfahren trug Zilberberg zu dem Entwicklungsprozess der neuartigen CCAs bei.
U. Konstanz / DE
