Mikrowellen verstärkt auf Wanderung

Quantencomputer sollen künftig bestimmte Aufgaben besser lösen als herkömmliche Rechner, sind aber bislang noch ein überwiegend theo­re­tisches Konzept. Die beste Technologie für diese Computer der Zukunft hat sich noch nicht herausgeschält. In der Quanten-Informationsverarbeitung gibt es einen Wettstreit um den besten Ansatz zur Verarbeitung einer hinreichend großen Anzahl von Qubits. Eine ganze Palette von Technologien, von optischen Methoden über kalte Atome bis hin zu Mikrowellen, wird derzeit erforscht – wobei jede ihre eigenen Vorzüge und Schwierigkeiten mit sich bringt. Eine Schwäche beim Nachweis von Mikrowellen-Photonen ist bislang, dass passende Verstärker entweder im abzudeckenden Wellenlängenbereich limitiert sind oder wegen zu starken Rauschens nicht nahe genug am Quantenlimit arbeiten können.

Ein Forscherteam unter der Leitung von Irfan Siddiqi an der University of California in Berkeley hat nun einen neuartigen Mikrowellen-Verstärker ersonnen, der eine hohe Quanteneffektivität mit hinreichender Verstärkung und großer Bandbreite vereinigt. Bei diesem „Josephson traveling-wave parametric amplifier“, kurz JTWPA, sorgt eine ganze Kette von Josephson-Übergängen für eine hohe Güte bei der Auslesung der Mikrowellenzustände.

Als Material wählten die Forscher dreischichtiges Niob auf einem Silizium-Substrat. Insgesamt 2037 solcher Übergänge legten die Forscher reihen­förmig auf dem Chip an, wobei jede dritte Zelle einen Resonator beinhaltete. Bei einer Zellenlänge von 16 Mikrometern war der JTWPA insgesamt nur 3,3 Zentimeter lang. Dank dieses Aufbaus konnten die Forscher die üblichen Beschränkungen bei parametrischen Josephson-Verstärkern umgehen und eine wesentlich höhere Bandbreite erzielen. Über einen Bereich von drei Gigahertz ließ sich so eine Verstärkung von zwanzig Dezibel erreichen. Zudem erlaubt der JTWPA eine Eingangsleistung, die um rund eine Größenordnung über ähnlichen Systemen liegt.

Die Wissenschaftler testeten ihr System unter anderem mit Hilfe schwacher Messungen. Dabei fanden alle Messungen in einem Mischungskryostaten bei dreißig Millikelvin statt. Die Forscher ermittelten eine Quanteneffizienz von 48 Prozent, wobei allerdings auch Verluste in der Zuleitung das Ergebnis verschlechterten. Der JTWPA selbst erreichte eine intrinsische Quanten­effizienz von 75 Prozent. Auch der dynamische Bereich ließ sich so bestim­men und lag rund sieben bis zehn Dezibel höher als in vergleichbaren, Resonator-basierten parametrischen Josephson-Verstärkern.

Die neue Bauweise könnte sich auch bei weiteren Anwendungen als hilfreich erweisen. Die Forscher erwarten, dass sie insbesondere wegen ihres kompakten und flexiblen Aufbaus in der Mikrowellen-Metrologie und Quanten­optik zum Einsatz kommen wird.

Dirk Eidemüller

RK