Kontrollierbarer Transfer von Quanteninformationen in supraleitenden Netzwerken

• Antragsteller: Professor Dr. Paul Seidel
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 405579680

• Erstellungsjahr: 2025

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Das bilaterale deutsch-ukrainische Projekt konzentrierte sich auf die Weiterentwicklung des grundlegenden Verständnisses und der praktischen Anwendungsmöglichkeiten des Quanteninformationstransfers in Festkörpersystemen unter Verwendung hybrider supraleiterbasierter Netzwerke als physikalische Plattform. Hauptziel war die Untersuchung der physikalischen Mechanismen des Ladungs- und Wirbeltransports in mesoskopischen supraleitenden Strukturen und die Entwicklung von Möglichkeiten zur Implementierung eines vollständig kontrollierbaren, kohärenten Quantenzustandstransfers. Diese Ziele wurden durch eine Kombination aus theoretischer Modellierung und experimentellen Messungen erreicht, die gemeinsam zwischen der Friedrich-Schiller-Universität Jena und ukrainischen Forschungsinstituten durchgeführt wurde. Im Bereich des Ladungstransports untersuchte das Projekt die Nutzung räumlich lokalisierter Quasiteilchen-Wellenpakete als Quantenträger. Der ballistische Transport durch supraleitende Strahlteiler und Y-Verbindungen wurde modelliert und verdeutlichte, wie Temperatur, Vorspannung und Gerätegeometrie optimiert werden können, um Quanteninformationen präzise zu leiten. Die theoretischen Techniken umfassten den Landauer-Büttiker-Formalismus, die Floquet-Theorie und die Analyse des Nichtgleichgewichtsrauschens. Ein neuartiger Fluktuationseffekt, der durch Temperaturgradienten entsteht, das Delta-T-Rauschen, wurde in hybriden Nanoverbindungen eingeführt und theoretisch vorhergesagt. Dies stellt ein sensitives Werkzeug zur Untersuchung von Temperaturverteilungen und dynamischen Zuständen in Quantenschaltkreisen dar. Parallel wurden im Projekt bewegte Wirbel als alternative Quantenträger eingeführt und analysiert. Experimentelle Arbeiten demonstrierten Spin-Ungleichgewichtseffekte in breiten supraleitenden Filmen und untersuchten Proximityeffekt-Phänomene in S/F/S-Multischichten mit potenziellen Anwendungen in supraleitenden Speichern und Fluxon-basierter Logik. Neue Fertigungs- und Diagnosemethoden wurden entwickelt, um die Abrikosov-Wirbeldynamik mithilfe künstlicher ferromagnetischer Übergänge zu steuern. Die Ergebnisse tragen maßgeblich zur Zukunft der Quanteninformationsverarbeitung mit Supraleitern bei und bieten neue Methoden zur kohärenten Signalführung, zur Erzeugung von Verschränkungen und zur Manipulation von Quantenzuständen. Das Projekt legte zudem den Grundstein für weitere Kooperationen, darunter eine neue Partnerschaft mit der TU Ilmenau.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Ballistic quantum spin separator. Low Temperature Physics, 45(8), 923-927.
  Zhitlukhina, E.; Belogolovskii, M. & Seidel, P.
  
• Perfect absorbing in quantum nanoscale networks. International Conference “Nanotechnologies and Nanomaterials” (NANO-2019), August 27–30, 2019, Lviv, Ukraine
  Zhitlukhina, E., Belogolovskii, M. & Seidel, P.
  
• Quantum interference and entanglement effects in hybrid three-terminal splitters. 17th International Superconductive Electronics Conference (ISEC 2019), July 28 – August 1, 2019, Riverside, California, USA
  Belogolovskii, M., Zhitlukhina, E. & Seidel, P.
  
• Self-guided transfer of spin-polarized wave packets in a hybrid quantum setup. 14th European Conference on Applied Superconductivity, September 1–5, 2019, Glasgow, UK
  Zhitlukhina, E., Belogolovskii, M. & Seidel, P.
  
• Voltage- and temperature-controllable quantum-data processing across three-terminal superconducting nanodevices. Applied Nanoscience, 10(8), 2781-2789.
  Belogolovskii, Mikhail; Zhitlukhina, Elena & Seidel, Paul
  
• Anomalously enhanced thermal noise in quantum rings. International Conference “Nanotechnologies and Nanomaterials” (NANO-2020), August 26–29, 2020, Lviv, Ukraine
  Zhitlukhina, E., Belogolovskii, M. & Seidel, P.
  
• Electronic noise generated by a temperature gradient across a hybrid normal metal–superconductor nanojunction. Applied Nanoscience, 10(12), 5121-5124.
  Zhitlukhina, Elena; Belogolovskii, Mikhail & Seidel, Paul
  
• Submicron-sized MoRe-doped Si-MoRe Josephson junctions with a low specific capacitance. Journal of Physics: Conference Series, 1559(1), 012005.
  Kalenyuk, A.; Shapovalov, A.; Shnyrkov, V.; Shaternik, V.; Belogolovskii, M.; Febvre, P.; Schmidl, F. & Seidel, P.
  
• Tailoring high-harmonic generation from a phase-coherent quantum ring. QUANTUM 2020 Virtual Conference, October 19–22, 2020, UK
  Zhitlukhina, E., Belogolovskii, M. & Seidel, P.
  
• Microwave-driven persistent currents in a nanoscale quantum ring. Applied Nanoscience, 12(3), 377-383.
  Zhitlukhina, Elena; Belogolovskii, Mikhail & Seidel, Paul
  
• Quantum effects in the persistent edge state transport. 2nd European Quantum Technologies Virtual Conference (EQTC), November 29 – December 2, 2021
  Belogolovskii, M., Zhitlukhina, E. & Seidel, P.
  
• Scanning shot-noise spectroscopy of robust edge currents in topological materials. School-Conference of Young Scientists “Modern Material Science: Physics, Chemistry, Technology” (MMSPCT-2021), October 4–8, 2021, Uzhhorod, Ukraine
  Boliasova, O., Zhitlukhina, E. & Seidel, P.
  
• Self-directed quantum information transfer via wave packets. In: Proceedings of the 17th International Conference on Electronics and Applied Physics (APHYS 2021), Kyiv, Ukraine, 2021, pp. 54–55. Taras Shevchenko National University of Kyiv.
  Zhitlukhina, E., Belogolovskii, M. & Seidel, P.
  
• Charge transport through superconducting nanodevices. International Conference “Nanotechnologies and Nanomaterials” (NANO-2022), August 25–27, 2022, Lviv, Ukraine
  Belogolovskii, M., Zhitlukhina, E. & Seidel, P.
  
• Critical current enhancement in a superconducting nanolayer proximitized to a weak-ferromagnetic film. Applied Nanoscience, 13(7), 4771-4777.
  Zhitlukhina, Elena; Poláčková, Magdaléna; Volkov, Serhii; Grančič, Branislav; Gregor, Maroš; Plecenik, Tomaš; Belogolovskii, Mikhail; Seidel, Paul & Plecenik, Andrej
  
• Detecting Helical Andreev Edge States by Shot-Noise Measurements. METALLOFIZIKA I NOVEISHIE TEKHNOLOGII, 44(3), 289-296.
  Zhitlukhina, E. S. & Seidel, Paul
  
• Disorder-enhanced superconductivity. In: Novel Frontiers in Materials Science: Innovative Components for Next-Generation Superconductor Technologies. M. Belogolovskii (Ed.), Vasyl’ Stus DonNU, Vinnytsia, 2022, pp. 6–43. ISBN: 978-99-999-303-8
  Belogolovskii, M., Shapovalov, A., Zhitlukhina, E. & Seidel, P.
  
• Enhanced superconductivity in nanoscale amorphous films. 23rd Annual Conference on Material Science (YUCOMAT 2022), August 29 – September 2, 2022, Herceg Novi, Montenegro
  Belogolovskii, M., Zhitlukhina, E., Shapovalov, A. & Seidel, P.
  
• Josephson junctions with a metamaterial barrier. Deutsche Physikalische Gesellschaft (DPG) Condensed Matter Section Meeting, September 4–9, 2022, Regensburg, Germany
  Belogolovskii, M., Seidel, P., Nevirkovets, I. & Ketterson, J.
  
• Magnetic-pinning enhancement of the critical current density in type-II superconductor/ferromagnet bilayers. Deutsche Physikalische Gesellschaft (DPG) Condensed Matter Section Meeting, September 4–9, 2022, Regensburg, Germany
  Zhitlukhina, E., Gregor, M. & Seidel, P.
  
• Probing supercurrent spatial distribution in interlayer barriers with Josephson interferometry. 12th International Conference “Solid State Surfaces and Interfaces”, November 21–23, 2022, Smolenice, Slovak Republic
  Belogolovskii, M., Gregor, M. & Seidel, P.
  
• Delta-T noise in AC-biased normal-metal–superconductor contacts. 16th European Conference on Applied Superconductivity (EUCAS 2023), September 3–7, 2023, Bologna, Italy
  Belogolovskii, M., Zhitlukhina, E. & Seidel, P.
  
• Fingerprints of Leggett-like collective excitations in two-component superconductors. III International Conference “Condensed Matter & Low Temperature Physics 2023” (CM<P 2023), June 5–11, 2023, Kharkiv, Ukraine
  Shapovalov, A., Tarenkov, V., Kalenyuk, A., Krivoruchko, V., Menesenko, D., Zhitlukhina, E., Belogolovskii, M. & Seidel, P.
  
• Low-Temperature Thermally Induced Noise in the Presence of an AC Voltage Bias. Journal of Low Temperature Physics, 212(1-2), 79-88.
  Zhitlukhina, Elena; Belogolovskii, Mikhail & Seidel, Paul
  
• Mo-Re alloy: A new benchmark two-band superconductor. Low Temperature Physics, 49(1), 103-107.
  Tarenkov, V.; Shapovalov, A.; Zhitlukhina, E.; Belogolovskii, M. & Seidel, P.
  
• Probing superconducting granularity using nonlocal four-probe measurements. The European Physical Journal Plus, 138(6).
  Poláčková, Magdaléna; Zhitlukhina, Elena; Belogolovskii, Mikhail; Gregor, Maroš; Plecenik, Tomáš & Seidel, Paul
  
• Charge transport in a normal–superconductor–normal trilayer with nanoscale scattering interfaces. International Conference “Nanotechnologies and Nanomaterials” (NANO-2024), August 21–24, 2024, Uzhhorod, Ukraine
  Zhitlukhina, E. & Seidel, P.
  
• Delta-T noise, a new tool for detecting temperature fields in superconducting films. European Quantum Technologies Conference (EQTC 2024), November 18–20, 2024, Lisbon, Portugal
  Zhitlukhina, E. & Seidel, P.
  
• Towards hybridization of photonic and superconducting quantum platforms with transparent superconductors. European Quantum Technologies Conference (EQTC 2024), November 18–20, 2024, Lisbon, Portugal
  Belogolovskii, M., Aliev, A. & Seidel, P.
  
• Blonder–Tinkham–Klapwijk formalism extended to an inhomogeneous superconducting state. 17th European Conference on Applied Superconductivity (EUCAS 2025), September 21–25, 2025, Porto, Portugal
  Zhitlukhina, E., Belogolovskii, M. & Seidel, P.
  
• Differential shot noise and Fano factor in mesoscopic junctions with inhomogeneous superconductors. V International Conference “Condensed Matter & Low-Temperature Physics” (CM<P 2025), June 2–6, 2025, Kharkiv, Ukraine
  Dmytrenko, V., Zhitlukhina, E. & Seidel, P.
  
• Mesoscopic S/F/S trilayers in parallel magnetic fields. 17th European Conference on Applied Superconductivity (EUCAS 2025), September 21–25, 2025, Porto, Portugal
  Belogolovskii, M., Poláčková, M., Zhitlukhina, E., Grančič, B., Satrapinskyy, L., Ďurina, P., Gregor, M., Plecenik, T. & Seidel, P.