Realisierung unidirektionaler Licht-Materie Wechselwirkung

Supraleitende Schaltkreise basieren auf Metalle, die all ihren Widerstand verlieren, wenn sie nahe dem absoluten Nullpunkt gekühlt werden haben sich als eine vielversprechende Plattform für die Entwicklung von Quantentechnologien etabliert. Ein unidirektionaler Strahler wurde experimentell jedoch noch nicht umgesetzt. Solch ein Element ist für künftige Quantennetzwerke und modular aufgebaute Quantencomputer aber besonders wichtig. Ein aktuelles Projekt des FWF leistet zur Entwicklung solcher Elemente jetzt einen grundlegenden Beitrag. Das Projekt wird am Institut der Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI), Teil der österreichischen Akademie der Wissenschaften, in Innsbruck durchgeführt. In einem modular aufgebauten Quantencomputer wird Quanteninformation via fliegender Qubits, üblicherweise Photonen, übereinen Wellenleiter übertragen und in lokalen Knoten verarbeitet. Damit alle Knoten im Netzwerk miteinander verbunden sind, sodass Quanteninformation von einem zu irgendeinem anderen Knoten geleitet werden kann, müssen diese Knoten ein ankommendes Photon sowohl absorbieren als auch übertragen können. Wesentlich dafür sind chirale Licht-Materie Wechselwirkungen, das sind Wechselwirkungen, die durch die Richtung des ankommenden Photons im Wellenleiter bestimmt werden. Im aktuell geförderten Projekt Realisierung unidirektionaler Licht-Materie Wechselwirkungen mit supraleitenden Schaltkreisen hat sich Teresa Hönigl-Decrinis vorgenommen, genau solch einen Quantenknoten experimentell umzusetzen und sich mit dessen langfristigen Anwendungen zu beschäftigen. Wie schon von Kooperationspartnern am IQOQI theoretisch ausgearbeitet, kann durch destruktive Interferenz zwischen zwei supraleitenden Qubits, die an eine Übertragungsleitung an zwei verschiedenen Stellen gekoppelt sind, eine Wechselwirkung, die sich chiral verhält, erreicht werden. Als Folge davon, emittiert der Quantenknoten ein Photon in nur eine Richtung, wobei die Strahlungsrichtung vom ankommenden Photon in der Übertragungsleitung bestimmt wird. Die Umsetzung des Projekts erfordert einen sorgfältigen Entwurf der Schaltkreise, anspruchsvolle Nanofabrikation und modernste Tieftemperaturmessungsverfahren. Teresa Hönigl-Decrinis hat dazu reichlich Erfahrungen im Ausland gesammelt und mit Unterstützung von Prof. Gerhard Kirchmair, Kollaborationspartnern am IQOQI und dem FWF steht der Umsetzung nun nichts mehr im Wege. Sind die Projektziele einmal erreicht, leisten sie einen wichtigen Beitrag zur Entwicklung von Quantencomputer und haben Potenzial neue Forschungsrichtungen mit fliegenden Mikrowellenqubits zu ermöglichen.

In diesem Projekt, das durch das Lise Meitner Programm des FWF gefördert worden ist, haben wir uns mit direktionalen Lichtschnittstellen mit supraleitenden Schaltkreisen beschäftigt. Supraleitende Schaltkreise basieren auf Metalle, die all ihren Widerstand verlieren, wenn sie nahe dem absoluten Nullpunkt gekühlt werden und haben sich bereits als eine vielversprechende Plattform für die Entwicklung von Quantentechnologien etabliert. Ein Beispiel solcher Quantentechnologien sind Quantennetzwerke und Quantencomputer, die in einer modularen Architektur Quanteninformation mit fliegenden Lichtteilchen über Wellenleiter überträgt und in lokalen Knoten verarbeitet. Damit alle Knoten des Netzwerks miteinander Information austauschen können sind direktionale Schnittstellen wesentlich. In diesem Projekt haben wir uns vorgenommen solch eine Schnittschnelle mit zwei supraleitenden Quantenbits die mit einem bestimmten Abstand an dieselbe Übertragungsleitung gekoppelt sind umzusetzen. Der Abstand zwischen den Quantenbits muss dabei genau so gewählt werden, dass der Phasenunterschied zwischen den Lichtteilchen in der Übertragungsleitung zu destruktiver Interferenz führt. Da uns die Forschungsgruppe von Prof. William Oliver am Massachusetts Institute of Technology (MIT) mit der experimentellen Umsetzung dieser Idee zuvorgekommen ist, haben wir uns stattdessen auf die Kontrolle von dunklen Zuständen in Übertragungsleitungen konzentriert. Diese Zustände entkoppeln sich von den Übertragungsleitungen und werden daher von Rauschen in der Umgebung nicht beeinflusst, was zu langen Kohärenzzeiten dieser Zustände führt. Diese Eigenschaft macht sie besonders nützlich als Speicher von Lichtteilchen (Photonen), als Router von Quanteninformation und für die Umsetzung von Photonen-Photonen Gatter. Somit leisten sie einen Beitrag zur Weiterentwicklung von Lichtschnittstellen in supraleitenden Schaltkreisen.