Gequetschtes Vakuum regelt Photonenhaushalt

Bereits 1946 zeigte der amerikanische Physiker Edward Mills Purcell, dass sich die Wahrscheinlichkeit für eine spontane Lichtemission angeregter Atome erhöht, wenn die Lichtquelle in einen Resonator eingebettet ist. Diese Wechselwirkung zwischen strahlenden Übergängen und der Umgebung, den Purcell-Effekt, übertrugen nun Physiker der University of California in Berkeley auf ein quantenoptisches Experiment. Dabei schafften sie es, die Rate strahlender Übergänge unter das bisher gültige Limit zu reduzieren. Von dieser Methode erwarten sie bessere Sensoren für Quantenzustände elektromagnetischer Felder und neue Möglichkeiten bei der Entwicklung von Prozessen im Bereich der Quanteninformation.

„Diese Kontrolle der strahlenden Übergänge erlaubt die Analyse von Nicht-Gleichgewichts-Effekten, bei denen ein System in jeden Quantenzustand zusätzlich zum Grundzustand relaxieren kann“, sagt Kater Murch vom Quantum Nanoelectronics Laboratory. Da das Experiment mit bisher verfügbaren Methoden nicht mit realen Atomen durchführbar war, konstruierten die Forscher eine Art künstliches Atom mit vergleichbaren quantenphysikalisches Eigenschaften. Es bestand aus einem an einen Mikrowellen-Resonator gekoppeltes Supraleiter-Qubit. Um störende Einflüsse etwa über thermische Schwankungen zu reduzieren, kühlten die Forscher dieses System auf teilweise bis zu zwanzig Millikelvin ab und schützten es zusätzlichm mit einer mehrschichtigen, supraleitenden Hülle vor äußeren, elektromagnetischen Feldern.

Über eine starke Dipol-Wechselwirkung zwischen Mikrowellen und dem supraleitenden Quantenschaltkreis bildete sich ein System mit zwei Zuständen aus. Nun galt es, den strahlenden Übergang vom angeregten Zustand in den energetisch niedrigeren Zustand über die Umgebungsbedingungen zu beeinflussen. Dazu erzeugten sie ein elektromagnetisches, gequetschtes Vakuum mit einem Josephson-Verstärker. Dadurch konnten sie den Bereich der Übergangsfrequenz (5,9 GHz) zwischen den beiden Qubit-Zuständen mit einem 13 Megahertz breiten Mikrowellenfeld überdecken.

Von der Intensität dieses Feldes hing nun der Einfluss auf den strahlenden Übergang ab. War sie groß genug, konnte dies die Rate des strahlenden Übergangs um den Faktor zwei reduzieren. Übertragen auf die Bloch-Kugel, die in der Quantenmechanik zur grafischen Darstellung eines Systems mit zwei Zuständen genutzt wird, wurde der Zerfall entlang der y-Achse deutlich bevorzugt, entland der x-Achse jedoch unterdrückt.

Dieses Grundlagen-Experiment könnte nun die Grundlage liefern, um in quantenphysikalischen Systemen den Übergang zwischen verschiedenen Zuständen von außen zu kontrollieren. Erste Anwendungen erwarten Murch und Kollegen bei der Kontrolle von Qubits in Pilotexperimenten auf dem Weg zum Quantencomputer. Doch Murch wagt noch einen weiteren Ausblick: „Unsere Ergebnisse zeigen das Potenzial, dass sich jede spontane Emission nach Wunsch maßschneidern lassen könnte. Dies könnte sich auf die weitere Entwicklung von Lasern über Nano-Leuchtdioden bis hin zur Fluoreszenz-Mikroskopie auswirken.“

Jan Oliver Löfken

OD