Mikrowellenphoton auf Knopfdruck

Forscher der Yale University haben Mikrowellenresonatoren entwickelt, in denen einzelne Photonen auf Knopfdruck von supraleitenden künstlichen Atomen erzeugt wurden.

Mikrowellen werden auf vielfältige Weise zur Informationsübertragung genutzt, sowohl zur Kommunikation über große Distanzen als auch in Computerchips. Dass die Mikrowellen aus Photonen bestehen, spielt dabei bislang keine Rolle. Doch an der Yale University haben Forscher Mikrowellenresonatoren entwickelt, in denen einzelne Photonen auf Knopfdruck von supraleitenden künstlichen Atomen erzeugt wurden. Damit konnten sie erstmals „supraleitende Qubits“ auf Photonen übertragen.

Das künstliche Atom, mit dem Robert Schoelkopf und seine Kollegen die einzelnen Mikrowellenphotonen erzeugt haben, bestand aus einer Cooper-Paar-Box: zwei unterschiedlich großen, supraleitenden Inseln auf einem isolierenden Substrat, die durch ein Paar von Josephson-Tunnelkontakten miteinander verbunden waren. Über die Kontakte konnten einzelne Cooper-Paare, zu denen sich die Elektronen zusammenschlossen, von der größeren zur kleineren Insel gelangen. Mit einer elektrischen Spannung ließ sich erreichen, dass die Energiedifferenz der Zustände mit N und N+1 Cooper-Paaren auf der kleineren Insel im Mikrowellenbereich lag. Man hatte dann ein künstliches Zwei-Niveau-Atom, das ein Mikrowellenphoton absorbieren und wieder abstrahlen konnte.

Das künstliche Atom war an einen „Hohlraum“ gekoppelt, der aus einem mikrometerbreiten und mehrere Millimeter langen supraleitenden Streifen bestand. Durch das eine Ende des Streifens wurden Mikrowellen unterschiedlicher Frequenz eingestrahlt. Nachdem die Wellen das künstliche Atom passiert hatten, wurde am anderen Ende des Streifens ihre frequenzabhängige Intensität gemessen. Dadurch ließ sich die Reaktion des künstlichen Atoms auf die Mikrowellen verfolgen. So wurde seine Resonanzfrequenz von solchen Wellen, die es nicht absorbieren konnte, umso stärker verstimmt, je mehr Photonen die Wellen enthielten. Auf diese Weise hatten die Forscher in einem früheren Experiment die Photonen im Hohlraum gezählt.

Wie Schoelkopf und seine Kollegen jetzt berichten, haben sie mit einer Folge von Mikrowellenpulsen das künstliche Atom angeregt und die spontane Emission von Photonen beobachtet. Jeder Puls mit etwa 12 ns so kurz, dass das Atom pro Puls nur einmal angeregt wurde und nur ein Photon abstrahlen konnte. Mithilfe eines Magnetfeldes stimmten die Forscher die Resonanz zwischen Hohlraum und Atom so ab, dass die spontane Emission verstärkt war und das Photon etwa 20 ns nach dem Puls emittiert wurde. Da der Hohlraum stark asymmetrisch war, wurden fast alle Photonen in eine Richtung abgestrahlt und dort „gezählt“. Da es für Mikrowellen noch keine Einzelphotonendetektoren gibt, mussten die Forscher indirekt vorgehen und die von vielen emittierten Photonen hervorgerufene Intensität messen und auswerten.

Als die Yale-Forscher die Stärke der anregenden Mikrowellenpulse stetig erhöhten, nahm die Intensität der vom Atom abgestrahlten Mikrowellen nicht proportional zu, sondern sie war beschränkt und änderte sich periodisch. Da das Atom pro Puls immer nur höchsten ein Photon emittieren konnte, musste die Intensität beschränkt sein. Doch warum war sie periodisch? Der anregende Puls brachte das Atom in einen Quantenzustand, der sich durch ein Qubit beschreiben und durch einen Pfeil veranschaulichen lässt, der im Mittelpunkt einer Kugel befestigt ist. Im Grundzustand zeigt die Pfeilspitze zum Südpol der Kugel, im angeregten Zustand zum Nordpol. Doch es sind auch Zwischenzustände möglich, bei denen das Atom sich in einem Überlagerungszustand befindet. Mit zunehmender Stärke des anregenden Mikrowellenpulses läuft die Pfeilspitze auf einer geschlossen Bahn auf der Kugel herum, sodass das Atom periodisch eine Reihe von unterschiedlichen Überlagerungszuständen durchläuft.

Strahlte das Atom aus einem Überlagerungszustand heraus, dann war die emittierte Mikrowelle ebenfalls in einem Überlagerungszustand aus „null Photonen“ und „ein Photon“. Das künstliche Atom hatte dann sein Qubit an das Mikrowellenfeld weitergegeben. Diese Qubit-Übergabe fand mit hoher Effizienz statt, wie die Forscher zeigen konnten, indem sie den jeweiligen Quantenzustand des angeregten Atoms und der anschließend emittierten Mikrowelle miteinander verglichen. Damit eröffnet sich die Möglichkeit, auf einem Chip sozusagen auf Knopfdruck ein Qubit auf ein Mikrowellenphoton zu übertragen und durch einen Draht zu einem weit entfernten Ort zu transportieren, wo es anschließend weiter verarbeitet werden kann.

Rainer Scharf

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  A. A. Houck et al.: Generating single microwave photons in a circuit. Nature 449, 328 (2007).
  http://dx.doi.org/10.1038/nature06126
  http://arxiv.org/abs/cond-mat/0702648
• Gruppe von Michel Devoret an der Yale University:
  http://www.eng.yale.edu/qlab/
• Gruppe von Steven Girvin an der Yale University:
  http://pantheon.yale.edu/~smg47/
• Gruppe von Robert Schoelkopf an der Yale University:
  http://www.eng.yale.edu/rslab/