Dunkelzustände unter Kontrolle

Wissenschaftlern um Gerhard Kirchmair vom Institut für Quantenoptik und Quanten­information der Öster­reichischen Akademie der Wissen­schaften ist es zusammen mit Kollegen aus Finnland erstmals gelungen, in supra­leitenden Quantenbits geschützte Quanten­zustände – Dunkel­zustände genannt – zu kontrollieren. Die verschränkten Zustände sind fünfhundert Mal robuster und könnten zum Beispiel bei Quanten­simulationen eingesetzt werden. Das Verfahren könnte auch auf anderen techno­logischen Plattformen Verwendung finden.

Im Labor von Kirchmair werden supra­leitende Quantenbits an Wellen­leiter gekoppelt. Werden mehrere dieser Quantenbits in den Wellen­leiter eingebaut, wechsel­wirken diese mitein­ander und es entstehen Dunkel­zustände. „Das sind verschränkte Quanten­zustände, die von der Außenwelt völlig entkoppelt sind“, erläutert Team-Mitglied Max Zanner. „Sie sind sozusagen unsichtbar, deshalb sprechen wir von Dunkel­zuständen.“ Diese Zustände sind für Quanten­simulationen oder die Verarbeitung von Quanten­information von. Bis heute ist es aber nicht gelungen, diese Dunkel­zustände zu kontrol­lieren und zu mani­pu­lieren.

„Bisher war das Problem immer: Wie lassen sich Dunkel­zustände kontrol­lieren, die von der Umwelt völlig entkoppelt sind“, sagt Kirchmair. „Mit einem Trick ist es uns jetzt gelungen, Zugriff auf diese Dunkel­zustände zu finden.“ Sein Team hat vier supra­leitende Quantenbits in einen Mikro­wellen­leiter eingebaut und seitlich zwei Kontroll­leitungen angebracht. Mittels Mikro­wellen­strahlung über diese Zuleitungen lassen sich die Dunkel­zustände mani­pu­lieren. Gemeinsam bilden die vier supra­leitenden Schaltkreise ein robustes Quantenbit mit einer Speicher­zeit, die etwa fünf­hundert Mal länger ist als jene der einzelnen Schaltkreise. In diesem Quantenbits existieren mehrere Dunkel­zustände gleich­zeitig, die für Quanten-Simula­tionen und Quanten-Informations­verarbeitung genutzt werden können. „Im Prinzip kann dieses System beliebig erweitert werden“, so Kirchmair.

Das erfolgreiche Experiment bildet den Startpunkt für weitere Unter­suchungen von Dunkel­zuständen und deren Anwendungs­möglich­keiten. Diese liegen zunächst vor allem im Bereich der Grund­lagen­forschung, wo es noch viele offene Fragen zu den Eigen­schaften solcher Quanten­systeme gibt. Das von dem Team entwickelte Konzept zur Kontrolle von Dunkel­zustände kann prinzi­piell nicht nur mit supra­leitenden Quantenbits, sondern auch auf anderen techno­logischen Platt­formen umgesetzt werden. „Die von uns verwendeten Schalt­kreise, die wie künstliche Atome funktionieren, haben jedoch Vorteile gegenüber echten Atomen, die wesentlich schwieriger stark an einen Wellen­leiter gekoppelt werden können“, betont Kirchmair.

U. Innsbruck / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  M. Zanner et al.: Coherent control of a symmetry-engineered multi-qubit dark state in waveguide quantum electrodynamics, Nat. Physics, online 14. März 2022; DOI: 10.1038/s41567-022-01527-w
• Supraleitende Quantenschaltkreise, Institut für Quantenoptik und Quanteninformatio der Österreichischen Akademie der Wissenschaften, Innsbruck, Österreich