Quantencomputer

Ultrastarke Wechselwirkung zwischen Licht und Materie

Ein Team um den Münchner Professor Rudolf Gross hat nun eine extrem starke Wechselwirkung zwischen Licht und Materie erzielt. Die Kopplung von Quantenbits mit Lichtquanten könnte ein Schritt in Richtung Quantencomputer sein.

Die starke Kopplung von Quantenbits mit Lichtquanten ist ein Schlüsselprozess beim Bau eines Quantencomputers. Hier vermelden Physiker der TU München, des Walther-Meißner-Instituts für Tieftemperaturforschung der Bayerischen Akademie der Wissenschaften (WMI) und der Universität Augsburg zusammen mit Partnern aus Spanien einen wesentlichen Fortschritt: Sie erzeugten eine ultrastarke Wechselwirkung von Mikrowellenphotonen mit den Atomen eines nanostrukturierten Schaltkreises. Die dabei erreichte Wechselwirkung ist zehnmal stärker als die bisher für solche Systeme erzielten Werte.

Elektronenmikroskopische Aufnahme des supraleitenden Quantenschaltkreises (rot: Qubit aus Aluminium, grau: Resonator aus Niob, grün: Siliziumsubstrat)

Das einfachste System zur Untersuchung der Wechselwirkung zwischen Licht und Materie besteht aus einem sogenannten Hohlraumresonator, in dem genau ein Lichtteilchen, ein Photon, und ein Atom eingesperrt sind (Cavity quantum electrodynamics, cavity QED). Die Experimente sind hierbei extrem aufwendig, da die Wechselwirkung sehr schwach ist. Eine sehr viel stärkere Wechselwirkung lässt sich mit nanostrukturierten Schaltkreisen erzielen, in denen bei Temperaturen knapp über dem absoluten Nullpunkt Metalle wie Aluminium supraleitend werden (circuit QED). Richtig aufgebaut verhalten sich die vielen Milliarden Atome der nur wenige Nanometer dicken Leiterbahnen des Schaltkreises so wie ein einziges künstliches Atom und gehorchen den Gesetzen der Quantenmechanik. Im einfachsten Fall erhält man so ein System mit zwei Energiezuständen, ein sogenanntes Quantenbit oder Qbit.

Bei seinen Experimenten fing das Team um Professor Gross ein Photon in einem Resonator aus einer supraleitenden Niob-Leiterbahn ein, die an beiden Enden mit für Mikrowellen sehr gut reflektierenden Spiegeln ausgestattet war. In diesem Resonator wird das aus einem Aluminiumschaltkreis bestehende "Atom" so platziert, dass es mit dem Photon optimal wechselwirken kann. Möglich wurde dies durch Zuhilfenahme eines supraleitenden Josephson-Kontakts.

Die dabei gemessene Wechselwirkungsstärke erreichte bis zu zwölf Prozent der Resonatorfrequenz. Sie ist damit zehnmal stärker als bisher in Circuit-QED-Systemen gemessene Wechselwirkungen und viele tausendmal stärker als die in echten Hohlraumresonatoren messbaren Effekte. Die gezielte Manipulation solcher Paare aus Atom und Photon könnte der Schlüssel zum Bau von Quantencomputern sein, so die Forscher.

Allerdings tut sich für die Forscher mit den Ergebnissen auch ein neues Problem auf: Bisher beschrieb das 1963 entwickelte Jaynes-Cummings-Modell alle beobachteten Effekte gut. Im Gebiet der ultrastarken Wechselwirkungen scheint die Theorie jedoch nicht mehr zu gelten: "Die Spektren sehen so aus, als hätten wir es hier mit einem völlig neuen Objekt zu tun", sagte Professor Gross. "Die Kopplung ist so stark, dass das Atom-Photon-Paar als eine neue Einheit betrachtet werden muss, eine Art Molekül aus einem Atom und einem Photon."

Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Forscher in der Onlineausgabe des Magazins Nature Physics unter dem Titel Circuit quantum electrodynamics in the ultrastrong-coupling regime.