Qubits kühlen klassische Schwingkreise

Physikern ist es gelungen, einen Effekt der Quantenoptik auf die Festkörperphysik zu übertragen. Ein klassischer Schwingkreis, im Prinzip nichts anderes als eine elektrische Schaltung, wurde mit Hilfe von künstlichen makroskopischen Quantenobjekten, so genannten Qubits, abgekühlt. Das jetzt in „Nature Physics“ veröffentliche Experiment könnte eine neue Richtung in der modernen Physik eröffnen.

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Den Ausgangspunkt für die Versuche, die Forscher des Instituts für Photonische Technologien (IPHT) zusammen mit Kollegen aus Bratislava, Delft, Innsbruck und Karlsruhe durchführten, bildet die Laserkühlung von Atomen, für die der französische Physiker Claude Cohen-Tannoudji 1997 den Nobelpreis erhielt. Atome oder Moleküle können durch die kontrollierte Aufnahme von Lichtteilchen (Photonen) aus einem Laserstrahl extrem abgekühlt werden. Dadurch bewegen sie sich sehr viel langsamer als ungekühlte Teilchen und verbleiben länger in einer Messapparatur, wodurch präzisere Messungen ermöglicht werden. Das nutzt man zum Beispiel, um die Genauigkeit von Atomuhren zu steigern.

„Unser Versuchsaufbau ahmt diesen Ansatz nach“, erklärt Evgeni Il’ichev aus der Abteilung Quantendetektion des IPHT. Doch statt eines einzelnen Atoms, das sich nach den Gesetzen der Quantenphysik verhält, kühlen die Wissenschaftler einen so genannten Schwingkreis. Das ist eine resonanzfähige elektrische Schaltung aus einer Spule und einem Kondensator, die elektrische Schwingungen ausführen kann. In diesem Schwingkreis herrscht ein elektromagnetisches Feld niedriger Frequenz. Gekühlt wird dieser Schwingkreis in Il’ichevs Experiment durch ein Qubit – also ein Zweizustandsquantensystem.

Neun Monate Arbeit und mehrere hunderttausend Euro hat es Ilichev und sein Team gekostet, den Messstab für das entscheidende Experiment zu entwickeln, der in einem Labor des IPHT, umgeben von einem mit flüssigen Helium gefüllten Kühlbehälter, hängt. Die Energieabstände zwischen den beiden Zuständen des Qubits sind dabei so gewählt, dass sie im Mikrowellenbereich liegen. Deshalb lässt sich das Qubit durch Photonen mit Mikrowellenfrequenz anregen und zieht daraufhin Energie aus dem Schwingkreis heraus – kühlt ihn also ab.

„Wir konnten so nachweisen, dass sich supraleitende Qubits wie künstliche Atome verhalten und Quanteneffekte zeigen – und dass, obwohl sie über Milliarden von Elektronen verfügen und nicht nur über 55, wie zum Beispiel das in Atomuhren verwendete Cäsium“, so Il’ichev. Die Versuche sind als reine Grundlagenforschung zu werten, betont der Forscher. Sie können allerdings die Basis für die Entwicklung extrem empfindlicher Detektoren sein, etwa zur Schallmessung oder auch für den Nachweis von Photonen mit sehr geringer Frequenz.

(Institut für Photonische Technologien, 05.08.2008 – NPO)