Supraleitung: Symmetrie macht den Unterschied

Forscher haben erstmals die Symmetrie in künstlichen Festkörperatomen gezielt gebrochen. Das Verfahren eröffnet neue Möglichkeiten bei der Realisierung von Quantenschaltkreisen, so die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift „Nature Physics“.

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Supraleitende Schaltkreise mit Abmessungen im Bereich von 100 Nanometern bis einigen Mikrometern verhalten sich trotz ihrer im Vergleich zu natürlichen Atomen riesigen Abmessungen in vielerlei Hinsicht wie „künstliche Atome“. Sie besitzen eine diskrete Niveaustruktur und können im einfachsten Fall als quantenmechanische Zweiniveausysteme betrachtet werden, die man auch als „Quantenbits“ – kurz „Qubits“ – bezeichnet.

Solche Qubits bilden nicht nur die Grundbausteine für festkörperbasierte Quanteninformationssysteme, sondern ermöglichen auch Einblicke in die Quantenphysik makroskopischer Systeme.

Forscher steuern künstliche Atome

Im Gegensatz zu natürlichen Atomen können die Eigenschaften der künstlichen Festkörperatome von außen zum Beispiel durch elektrische oder magnetische Felder gezielt kontrolliert und über einen weiten Bereich variiert werden.

Diese Steuerbarkeit wurde jetzt von Forschern aus dem Team von Professor Rudolf Gross am Walther-Meißner-Institut der Bayerischen Akademie der Wissenschaften sowie Kollegen der NTT Basic Research Laboratories in Japan und der LMU München dazu benutzt, die Symmetrie für ein „supraleitendes Festkörperatom“ gezielt zu brechen.

In den faszinierenden Experimenten wurden künstliche supraleitende Atome untersucht, die an die quantisierten Schwingungsmoden eines Mikrowellenresonators gekoppelt sind. Solche Systeme bilden das Pendant zu den in der Quantenoptik intensiv untersuchten gekoppelten Systemen aus natürlichen Atomen und optischen Resonatoren. In Analogie zur optischen Cavity-Quantenelektrodynamik (Cavity-QED) wird deshalb dieses junge und prosperierende Forschungsgebiet als Circuit-QED bezeichnet.

Neue Erkenntnisse über Symmetrieeigenschaften von Quantenschaltkreisen

Wie die Forscher jetzt in der Fachzeitschrift „Nature Physics“ berichten, wird das Verhalten des gekoppelten Systems aus supraleitendem Qubit und Mikrowellenresonator durch einen Frequenzkonversionsprozess der Mikrowellenphotonen bestimmt wird. Das Auftreten dieses Prozesses hängt von den zugrundeliegenden Symmetrieeigenschaften ab, die durch äußere Kontrollparameter – in diesem Fall magnetischer Fluss – gezielt eingestellt werden können.

Die neuen Ergebnisse werfen nach Angaben der Wissenschaftler ein neues Licht auf die fundamentalen Symmetrieeigenschaften von Quantenschaltkreisen und deren inhärente nichtlineare Dynamik. Die für künstliche Quantensysteme mögliche steuerbare Symmetriebrechung kann nicht nur für das Studium grundlegender Fragestellungen zur Atom-Licht-Wechselwirkung, sondern auch für zahlreiche Anwendungen ausgenutzt werden.

Dazu gehören vor allem die parametrische Frequenzkonversion, die kontrollierte Erzeugung einzelner Mikrowellenphotonen oder die Erzeugung von gequetschten Quantenzuständen („Squeezing“).

(idw – Bayerische Akademie der Wissenschaften, 18.07.2008 – DLO)