Quantenschnittstelle auf einem Mikrochip

  • 02. September 2013

Tübinger Forscher entwickeln neuen Baustein für die Quantenelektronik aus Atomen und Supraleitern.

Die Gesetzmäßigkeiten der Quantenphysik bilden die Basis für die Entwicklung von Hardware für künftige Informationstechnologien. Datenträger sind Quanten in Form von Qubits. Sie machen die Kommunikation abhörsicher und erlauben außerordentlich schnelle Recherchen in Datenbanken. Qubits sind jedoch recht instabil. József Fortágh, Dieter Kölle, und Reinhold Kleiner vom Physikalischen Institut der Universität Tübingen haben einen neuen elektronischen Baustein entwickelt, der dieser Eigenschaft Rechnung tragen soll: Ihr langfristiges Ziel ist es, Quanten­superpositions­zustände wie zum Beispiel die gleichzeitige Überlagerung der klassischen Bits Null und Eins zu verarbeiten, zu übertragen und zu speichern.

Quantenelektronik mit Atomen und Supraleitern

Abb.: Über einem supraleitenden Mikrochip werden Rubidiumatome (rot) durch Magnetfelder gefangen und levitiert. (Bild: CQ, EKU)

Die Tübinger Forscher wollen zwei Systeme koppeln, um von beiden die Vorteile zu nutzen: Supraleitende Schaltungen, die mit Standardtechnologien auf Mikrochips strukturiert werden, können Quanteninformationen schnell verarbeiten, sie jedoch nicht über längere Zeit speichern. Atome, die die kleinsten elektronischen Schaltkreise der Natur darstellen, können hingegen – gruppiert in einem Ensemble – als natürlicher Quantenspeicher dienen. „In der Kombination sollen künftig Informationen aus den supraleitenden Schaltkreisen in ein Atomensemble zur Speicherung übertragen werden“, erklärt Fortágh.

Die Atome werden durch Magnetfelder über der Chipoberfläche gefangen und in der Schwebe gehalten. Da Supraleiter den elektrischen Strom ohne Widerstand leiten, klingt der Strom in einem supraleitenden Ring nie ab. Auf dieser Grundlage haben Helge Hattermann, Daniel Bothner und Simon Bernon aus den beteiligten Arbeitsgruppen eine komplexe supraleitende Ringstruktur und einen besonders stabilen und störungsfreien Speicher für Atome konstruiert. Die Forscher überprüfen selbst in ihrem System, wie lange Quantenzustände von Atomen in dieser Falle überleben: Sie verwenden die Atome als Uhr.

Den Takt zur Definition der Sekunde gibt uns heute das Cäsium­atom mit etwa neun Milliarden Schwingungen pro Sekunde zwischen zweien seiner Quantenzustände vor. Rubidium, das Atom, das in Tübingen für die Experimente verwendet wird, dient als sekundärer Zeitstandard. Die Präzision einer Atomuhr rührt von der stetigen Überlagerung der Quantenzustände her. Wie nach dem Anstoßen des Pendels einer Schwarzwalduhr klingt auch bei einer Atomuhr die Schwingung nach einiger Zeit ab – nämlich dann, wenn die Quanten­superpositions­zustände zerfallen.

Die auf dem supraleitenden Chip integrierte Atomuhr im Tübinger Laboratorium zeigt an, dass Quanten­superpositions­zustände von Atomen am Chip über mehrere Sekunden lang erhalten bleiben. Im Vergleich dazu sind Quantenspeicher auf Festkörperbasis mit Kohärenzzeiten im Mikrosekunden­bereich flüchtig. „Dieses Ergebnis ebnet den Weg zur Realisierung neuer quanten­elektronischen Komponenten für die Informations­verarbeitung“, sagt Fortágh. Als Nächstes planen die Forscher des CQ Center for Collective Quantum Phenomena an der Universität Tübingen Experimente an Atomen in supraleitenden Mikrowellen­resonatoren, die als Datenbus zwischen integrierten Schaltungen und Atomen dienen könnten.

EKU / OD

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