Quantenelektrodynamik mit Lochspins

In den letzten 10 Jahren wurden auf dem Gebiet der Spin-Qubits beeindruckende Fortschritte erzielt, was ihre Schlüsseleigenschaften betrifft, die Spinrelaxations- und Dephasierungszeiten. Die Notwendigkeit der Kopplung vieler Qubits aneinander, wird daher immer wichtiger. Einer der vielversprechendsten Ansätze besteht darin, zwei Spins mit einem supraleitenden Resonator über die sogenannte Spin-Photon-Kopplung zu koppeln. In diesem Projekt wollen wir in Ge-Nanostrukturen lokalisierte Lochspins untersuchen und supraleitende hochohmige Resonatoren verwenden, um zum ersten Mal das starke Kopplungsregime zwischen einem Lochspin und einem einzelnen Photon zu erreichen. Konkreter werden wir Ge-Quantenpunkte herstellen, die Lochspins enthalten, und sie an supraleitende Resonatoren koppeln, die aus körnigem Aluminium hergestellt sind, das als hochohmiger Resonator vielversprechende Eigenschaften gezeigt hat. Zunächst werden die Resonatoren verwendet, um die Qubit-Zustände auszulesen, bevor wir uns in die Richtung der starken Kopplung zwischen einem Lochspin und einem einzelnen Photon bewegen werden. Während der Projektdauer wird ein kontinuierlicher Austausch zwischen den Experimentatoren und den Theoretikern stattfinden, nicht nur um die Ergebnisse zu interpretieren, sondern auch um neue Effekte vorherzusagen. Durch die Kombination des Know-hows supraleitender Schaltkreise, Halbleiterquantenpunktbauelemente und der Theorie der kondensierten Materie wollen wir alle Herausforderungen erfolgreich bewältigen.

Löcher, die in Ge/SiGe-Heterostrukturen eingeschlossen sind, haben sich als eine sehr vielversprechende Plattform zur Realisierung von Spin-Qubits erwiesen. Eine der wichtigsten Eigenschaften, die Löcher interessant macht, ist die Spin-Bahn-Kopplung, da sie das Ansteuern der Spins mit oszillierenden elektrischen Feldern ermöglicht. In diesem Projekt haben wir Doppelquantenpunkte in solchen Ge/SiGe-Heterostrukturen hergestellt. Durch das Studieren von Singlet-Triplet-Qubits haben wir den Effekt der kubischen Rashba-Spin-Bahn-Kopplung auf die Mischung der Spinzustände untersucht. Darüber hinaus haben wir diese Doppelquantenpunkte verwendet, um die Ladungs-Photon-Kopplung zu untersuchen. Durch die Entwicklung eines Ohmmeters, das unter Hochvakuumbedingungen betrieben werden kann, konnten wir Hochimpedanz-Resonatoren durch Verdampfen von Aluminium in Gegenwart von Sauerstoff herstellen. Hochimpedanz-Resonatoren, die den Widerstandsquanten überschreiten, konnten realisiert werden. Durch die Integration eines 8 K granularen Aluminium-Resonators mit einem solchen Doppelquantenpunkt in planarem Ge konnten wir eine starke Loch-Ladungs-Photon-Kopplungsstärke demonstrieren. Aufgrund der Magnetfeldresistenz der entwickelten Resonatoren eröffnen diese Ergebnisse den Weg zu starker Spin-Photon-Kopplung und langstreckigen Zwei-Qubit-Gate-Experimenten.