Eine Schrödinger-Katze an zwei Orten zugleich

An der Yale University haben Forscher zwei extrem nichtklassische Mikro­wellen­felder, die jeweils in einem Schrödinger-Katzen­zustand waren und sich in zwei unterschiedlichen Hohl­raum­resonatoren befanden, miteinander verschränkt. Dadurch haben sie gewisser­maßen eine lebendig-tote Schrödinger-Katze erzeugt, die an zwei Orten gleich­zeitig war. Die Forscher um Chen Wang und Robert Schoelkopf haben damit im Bereich der Erzeugung und Kontrolle exotischer Quanten­zustände mit supra­leitenden Mikro­wellen­schalt­kreisen einen neuen Meilen­stein erreicht. Diese Schaltkreise bestehen aus Mikro­wellen­resonatoren, die die Forscher über supra­leitende „künstliche Atome“ miteinander koppeln, anregen und abfragen konnten.

Abb.: Hier erschien die Schrödinger-Katze an zwei Orten gleichzeitig: Der Aluminiumblock enthält die beiden Resonatoren („Alice“ und „Bob“), während das Transmon („Ancilla“), das sie koppelt und abfragt, in die vorgesehene Öffnung eingeführt wird. (Bild: C.Wang et al.)

Solch ein künstliches Atom oder „Transmon“ besteht aus zwei supra­leitenden Inseln, die über Josephson-Tunnel­kontakte miteinander gekoppelt sind. Das Transmon kann mehrere Cooper-Paare (zu denen sich die Elektronen im Supra­leiter verbinden) aufnehmen. Es lässt sich so einstellen, dass die Energie­differenz zwischen den Zuständen mit N und N+1 Cooper-Paaren mit der Mikro­wellen­frequenz der Resonatoren über­einstimmt. Dadurch wird das Transmon zu einem Zwei­niveau­system, das ein Quantenbit für bis zu 100 Mikro­sekunden speichern kann.

Doch im aktuellen Experiment hatte das Y-förmige Transmon, das hier als Drei­niveau­system ausgelegt war, eine andere Aufgabe: Es stellte die Verbindung zwischen den beiden Hohl­raum­resonatoren („Alice“ und „Bob“) her, die sich in einem wenige Zentimeter hohen mono­lithischen Block aus Aluminium befanden, der auf zwanzig Nano­kelvin abgekühlt wurde und dadurch supraleitend war.

Diese Resonatoren konnten von außen durch abgestimmte Mikro­wellen­pulse angeregt und in einen kohärenten Zustand |α> des Mikro­wellen­feldes gebracht werden, wobei α ungefähr 2 war. Den kohärenten Zustand |α> erhält man, indem man den Vakuum­zustand |0> des Mikro­wellen­feldes so anregt und dadurch „verschiebt“, dass der neue Zustand im Mittel |α|² Photonen enthält und seine Phase durch die Phase der (komplexen) Zahl α gegeben ist. Dann enthielten die Resonatoren ein quasi­klassisches Mikro­wellen­feld, das aus etwa vier Mikro­wellen­photonen bestand. Nun befand sich gewisser­maßen in den beiden Resonatoren jeweils eine lebende Schrödinger-Katze.

Ebenfalls durch Mikrowellenpulse ließ sich der Zustand des Transmons so beeinflussen, dass eine Vielzahl von zustands­abhängigen Kopplungen zwischen ihm und den beiden Resonatoren möglich wurde. Dadurch konnten die Forscher den Quanten­zustand des ganzen Systems umfassend kontrollieren und ein universelles logisches Quanten­gatter verwirklichen.

Durch eine geeignete Folge von Mikrowellen­pulsen ließ sich zum Beispiel erreichen, dass der Resonator „Alice“ in einen stark nicht­klassischen Zustand proportional |α> + |–α> kam. Dieser Zustand war eine kohärente Überlagerung zweier quasi­klassischer Mikro­wellen­felder mit entgegen­gesetzten Phasen. Das resultierende Mikrowellen­feld war somit gleichzeitig in zwei völlig verschiedenen klassischen Zuständen – so wie Schrödingers Katze, die gleichzeitig lebt und tot ist.

Solche Schrödinger-Katzen­zustände mit Photonen in Resonatoren hatten zuvor auch schon andere Forscher hergestellt. Doch das Team von Wang und Schoelkopf ist jetzt einen entscheidenden Schritt weiter­gegangen. Durch eine spezielle Folge von Mikrowellen­pulsen erreichten sie, dass beide Resonatoren gleichzeitig in Schrödinger-Katzen­zustände gerieten, die zudem miteinander verschränkt waren. Der resultierende Zustand der beiden Resonatoren A und B war proportional zu |α>_A |α>_B + |–α>_A |–α>_B.

Diesen bizarren Zustand kann man auf zweierlei Weise betrachten: einerseits als quanten­mechanische Verschränkung zweier Schrödinger-Katzen­zustände, andererseits als einen Schrödinger-Katzen­zustand, der sich an zwei Orten A und B gleichzeitig befindet. Mit umfangreicher Zustands­tomographie, die den Quanten­zustand der Resonatoren mit Hilfe des Transmons abfragte, konnten die Forscher nachweisen, dass der bizarre Zustand tatsächlich vorlag. Dabei enthielten die Resonatoren insgesamt bis zu achtzig Photonen.

Während andere Forscher in früheren Experimenten mikro­skopische Objekte wie Ionen in delokalisierte Quanten­zustände gebracht hatten, so dass sie an zwei Orten gleichzeitig waren, haben die Yale-Forschern jetzt erstmals „makro­skopische“ Felder delokalisiert, die in stark nicht­klassischen Katzen­zuständen waren. Damit hat die Kontrolle von Quanten­zuständen eine Stufe erreicht, die neue Möglichkeiten für die Quanten­informations­verarbeitung eröffnet. Insbesondere kann man mit Überlagerungen von kohärenten Zuständen redundant Quanten­informationen speichern und nötigenfalls einer Quanten­fehler­korrektur unterziehen.

Rainer Scharf

DE