Quanten-Elektromechanik mit Schwung

Für eine Vielzahl neuer Tech­nologien ist die Aus­nutzung von Quanten­effekten interessant. Nicht nur in der Quanten­informations­verar­beitung, sondern auch in der Sensorik gibt es viele Hoffnungen auf neue Quanten­systeme. Die kontrol­lierte Nutzung von Quanten­effekten in makro­skopischen Systemen gelingt bislang aber vor allem bei supraleitenden Quanten­bits. Andere physi­kalische Systeme lassen sich meist nur deutlich aufwändiger beherrschen. Dabei würde die Kopplung elek­trischer Systeme an andere Freiheits­grade – etwa von supra­leitenden Qubits an Kristall­schwingungen – ganz neue Möglich­keiten eröffnen.

Dabei muss diese Kopplung ihrerseits aber wieder unter sehr kontrol­lierten Bedin­gungen statt­finden. Denn sonst tritt Deko­härenz ein, und die gewünschten Quanten­eigen­schaften würden sich durch Kontakt mit der Umgebung blitz­schnell in Nichts auflösen. Die Kopplungs­stärke zwischen den verschiedenen Freiheits­graden muss deshalb hoch sein und deutlich überhalb der Verlust­rate des Qubits und des Oszil­lators liegen.

Piezo­elektrische Materialien bieten sich besonders für eine solche Kopplung an. Allerdings war es bislang erst einem Forscher­team gelungen, ein nicht­lineares elektro­mechanisches System mit hinreichend starker Kopplung zu realisieren. Dieser Durchbruch aus dem Jahr 2010 benötigte aller­dings ein sehr aufwändig konstru­iertes System und ließ sich deshalb bis heute nicht wesent­lich näher an die Einsatz­reife bringen. Forschern der Univer­sität Yale ist es nun gelungen, ein wesent­lich einfacheres System aus einem supra­leitenden Qubit und Phononen in einem Kristall umzu­setzen. Hierzu koppelten die Forscher ein Transmon-Qubit an die Gitter­schwingungen eines Saphir-Kristalls. Dabei konnten sie auch erstaun­lich hohe Kohärenz­zeiten der einzelnen Phononen und eine hohe Koopera­tivität des Gesamt­systems nach­weisen.

Den Resonator stellten die Forscher aus einem 420 Mikro­meter dicken Saphir-Wafer her, der mit einer ein Mikro­meter dünnen Schicht aus Aluminium­nitrid überzogen war. Hierzu erzeugten sie auf dem Kristall einen kreis­förmigen Aluminium­nitrid-Resonator, der über dünne Aluminium­leiter elektrisch mit dem Transmon-Qubit verbunden war. Dieses bestand aus einem Squid-Ring, das ebenfalls aus Aluminium gefertigt war und zwei gleich große Kontakte besaß. Die Forscher nutzten großteils gängige Techniken wie Elektronen­strahl-Litho­graphie, reaktives Ionenätzen und Photo­litho­graphie. Nur wenige Arbeits­schritte erfor­derten neuartige Herstellungs­verfahren, etwa um den piezo­elektrischen Wandler in der gewünschten Form aufzu­bringen, der für die Kopplung zwischen dem Qubit und den mecha­nischen Schwingungen sorgt.

„Unser System ist relativ einfach herzu­stellen, was einerseits seine Robus­theit und anderer­seits das Potenzial für künftige Anwen­dungen erhöht“, sagt Yiwen Chu von der Yale University. Die Aluminium­nitrid-Scheibe, die als Wandler zwischen Qubit und den Gitter­schwingungen im Saphir-Kristall diente, hatte eine Dicke von knapp einem Mikro­meter und einen Radius von 100 Mikro­metern – mehr als ausreichend für die Phononen, die eine deutlich kürzere Wellen­länge haben. Bei bestimmten Fre­quenzen des Qubits bildeten sich verschiedene Phononen-Moden aus. Im Bereich der Band­abstoßung zeigten sich auch Vakuum-Rabi-Oszil­lationen.

Mit diesem Aufbau ließen sich einfache Quanten­rechen­operationen durch­führen. Hierzu brachten die Wissen­schaftler das Qubit und die ent­sprechenden Phononen-Moden in Resonanz beziehungs­weise schalteten diese wieder ab. Durch geeignete und hin­reichend schnelle Änderung der Qubit-Frequenz ließen sich so etwa die Zustände von Qubit und Resonator tauschen. Dabei ergab sich eine erstaun­lich lange Kohärenz­zeit für die einzelnen Phononen von über zehn Mikro­sekunden.

Einzelne Moden erreichten sogar Kohärenz­zeiten von zwanzig bis dreißig Mikro­sekunden. Diese hohen Werte sind aufgrund der großen Reinheit des Kristalls möglich, in dem keine Stör­stellen die Phononen schlucken. Die Koopera­tivität des Systems bestimmten die Wissen­schaftler zu 260. Dies ist rund eine Größen­ordnung besser als bei früheren, vergleich­baren Anordnungen. Im Wesent­lichen verdankt sich dieser Anstieg einer um rund drei Größen­ordnungen verbesserten Kohärenz­zeit sowohl des Qubits als auch des mecha­nischen Systems.

Solche elektro­mechanischen Systeme könnten sich dank ihrer guten Kohärenz­zeit in Zukunft insbe­sondere nutzen lassen, um Quanten­informa­tionen zu speichern. Derartige Speicher wären sowohl kompakt als auch robust gegenüber äußeren Einwirkungen. Solche elektromechanische Apparate ließen sich aber auch nutzen, um supra­leitende Qubits an sichtbares oder infra­rotes Licht zu koppeln und damit als wichtige Schnitt­stelle für die Über­tragung von Quanten­informationen zu dienen.

Als nächstes Ziel wollen die Wissen­schaftler einen lang­lebigen Quanten­speicher mit ihrem Aufbau demon­strieren. Bis es gelingen wird, elektro­mechanische Systeme als Quanten­wandler zwischen weiteren physika­lischen Freiheits­graden einzu­setzen, wird es nach Ansicht der Forscher aber noch einige Jahre brauchen.

Dirk Eidemüller

JOL