Mechanischer Resonator speichert Qubits

  • 19. September 2017

Schwingende Mikromembran wurde perfekt quantenmechanisch kontrolliert.

Die Quanten­informations­verarbeitung, die mit Quantenbits oder Qubits statt Bits arbeitet, macht große Fortschritte. Inzwischen kann man Qubits auf einzelnen Atomen oder in speziellen Nano­strukturen speichern und verarbeiten. Der Informations­austausch zwischen diesen Speichern findet mit „fliegenden“ Qubits in Form von optischen oder Mikro­wellen-Photonen statt. Besonderes Augenmerk richtet man in letzter Zeit auf mikrometer­große mechanische Resona­toren in Form von schwingenden Balken oder Membranen. Mittels Licht hat man sie praktisch bis zu ihrem Schwingungs­grundzustand abkühlen können, sodass sie (nahezu) kein Schwingungs­quant oder Phonon mehr enthielten.

Abb.: Ein künstliches Atom als Photonenquelle liefert ein Qubit, das über eine Mikrowellenleitung auf einen elektrischen Schwingkreis übergeht und schließlich von einer schwingenden Membran aufgenommen wird.(künstl. Illu.: A. P. Reed & P. Blanchard)

Abb.: Ein künstliches Atom als Photonenquelle liefert ein Qubit, das über eine Mikrowellenleitung auf einen elektrischen Schwingkreis übergeht und schließlich von einer schwingenden Membran aufgenommen wird. (künstl. Illu.: Lehnert group & S. Burrows, JILA)

Mit solchen mechanischen Mikro­resonatoren lassen sich Mikro­wellen-Qubits, die etwa von supral­eitenden Qubit­speichern kommen, in optische Qubits umwandeln, die dann durch Glasfasern über große Entfernungen übertragen werden können. Man könnte mit mecha­nischen Reso­natoren aber auch Qubits abspeichern. Hier ist Wissen­schaftlern um Adam Reed und Konrad Lehnert vom JILA in Boulder ein Durchbruch gelungen. Zusammen mit der Yale-Gruppe von Robert Schoelkopf haben die JILA-Forscher Qubits, die aus einer Über­lagerung von 0 und 1 Mikrowellen­photonen bestanden, mit einer großen Treue oder Fidelity auf eine schwingende Membran übertragen. Dort haben sie die Qubits für über 100 µs gespeichert – eine Rekordzeit für nicht­klassische Quanten­zustände von mecha­nischen Reso­natoren. Zudem haben sie das Mikrowellen­feld und die schwingende Membran quanten­mechanisch verschränkt.

Dabei gingen sie folgender­maßen vor. Ein supra­leitendes künst­liches Atom oder Transmon, beigesteuert von der Yale-Gruppe, lieferte das Mikro­wellen-Qubit, das mechanisch gespeichert werden sollte. Das Transmon übergab das Qubit an eine Mikrowellen­leitung, die induktiv mit einem elek­trischen Schwingkreis gekoppelt war, in dem sich der mechanische Reso­nator befand. Der mechanische Reso­nator bestand aus einem dünnen Saphir­plättchen als Membran, auf das eine schnecken­förmige Aluminium­schicht aufgetragen worden war. Das Plättchen war soweit abgekühlt worden, dass es nur 0,1 Schwingungs­quanten enthielt und sich somit praktisch im Grund­zustand befand. Über den elek­trischen Schwingkreis konnte der Schwingungs­zustand der Membran verstärkt und abgefragt werden.

Flog nun ein Photon durch die Mikrowellen­leitung, so wurde im Schwing­kreis eine verstärkte elek­trische Schwingung angeregt, die wiederum die Membran in mechanische Schwin­gungen versetzte. Passierte aber ein Qubit bestehend aus einer quanten­mechanischen Überlagerung von 0 und 1 Photon die Mikrowellen­leitung, so gab der elektrische Schwingkreis diesen Überl­agerungs­zustand an den mechanischen Reso­nator weiter, der sich daraufhin ebenfalls in einer quanten­mechanischen Über­lagerung befand.

Abb.: Aufbau der Experiments zur Übertragung des Qubits auf eine schwingende Membran. (Bild: A. P. Reed & P. Blanchard)

Abb.: Aufbau der Experiments zur Übertragung des Qubits auf eine schwingende Membran. (Bild: A. P. Reed & P. Blanchard)

Inwieweit die Über­tragung des Qubits von der Mikrowelle auf die schwin­gende Membran erfolg­reich war, stellten die Forscher mit Hilfe zweier Protokolle fest. Beim ersten wurde der elek­trische Schwing­kreis mit dem Eintreffen des Mikrowellen-Qubits für 30 µs gepumpt, sodass er dessen Zustand verstärkte und anschließend durch eine Zustands­tomographie ana­lysieren konnte. Beim zweiten Protokoll erfolgte das Pumpen zunächst nur für wenige Mikro­sekunden, wodurch der Schwingkreis das Qubit „einfing“ und an die Membran weitergab. Nach einer Wartezeit von 30 µs folgte eine zweite, wieder 30 µs lange Pumpphase, die eine Verstärkung und Analyse des Quanten­zustands der Membran ermöglichte.

Demnach war das Qubit mit einer Fidelity von 0,83 über­tragen worden, während eine Übertragung mit klas­sischen Mitteln nur eine Fidelity von 2/3 gestattet. Eine Ver­längerung der Warte­zeiten bis zur Zustands­tomographie zeigte, dass das Qubit etwa 137 µs lang vom mecha­nischen Resonator gespeichert werden konnte. Die Forscher glauben, dass sich diese Zeit auf etwa eine Minute verlängern lässt.

Rainer Scharf

JOL

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