Auf dem Weg zu hybriden Supraleiter/Kalt-Atom Quanten-Schaltkreisen

• Antragsteller: Professor Dr. Reinhold Kleiner
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 421077991

Die Untersuchung und Nutzung kohärenter Quantenzustände in natürlichen oder künstlichen Atomen ist ein sehr aktuelles Thema sowohl in der Grundlagenphysik als auch im Hinblick auf potentielle Anwendungen z. B. im Rahmen des Quanten-Computings, der Quantensimulation oder der Quantensensorik. Im vorliegenden Antrag konzentrieren wir uns auf Supraleiter-Kaltatom-Hybridsysteme. Nach einer erfolgreichen Kopplung der beiden Subsysteme können die vielseitigen Methoden der Festkörperphysik und der Quantenoptik kombiniert werden, um die Atome bzw. die Festkörper-Schaltkreise direkt oder via Photonen von Mikrowellen- bis hin zu optischen Frequenzen zu manipulieren. Es ist zwar technisch anspruchsvoll, das Supraleiter-Kaltatom-Hybridsystem zu realisieren, dieses bietet dann aber im Sinne der Grundlagenforschung einzigartige Möglichkeiten, die Kopplung zwischen makroskopischen Objekten (supraleitende Qubits, Resonatoren) und natürlichen Atomen zu studieren. Im Hinblick auf Anwendungen kann man sich im Zusammenhang mit der Quanteninformation ein Hybrid vorstellen, bei der der supraleitende Schaltkreis als Prozessor und die Atomwolke als Quantenspeicher agiert. An supraleitende Resonatoren gekoppelte kalte Atome (Grundzustandsatome, hochangeregte Rydberg-Atome oder auch Bose-Einstein-Kondensate) könnten überdies die Realisierung neuartiger Quantengatter, von Frequenzwandlern (Mikrowelle nach optisch) oder von On-Chip Mikromasern ermöglichen. Im Projekt werden bereits existierende Kaltatom-Supraleiter-Setups verwendet, die bei Badtemperaturen von 4.2 K bzw. 30 mK arbeiten. Im Projekt soll die Kaltatom-Supraleiter-Kopplung weiter vorangetrieben werden. Insbesondere sollen Konzepte, die im 4.2 K-Aufbau realisiert wurden, auf das Millikelvin-System übertragen werden. Letzteres wird benötigt, um die kohärente Kopplung der beiden Teilsysteme zu erreichen. Auf der Atomseite wird der Fokus auf Rydberg-Atomen liegen, die eine Vielzahl an resonanten Übergängen bieten und eine starke elektrische Dipolkopplung an die supraleitenden Resonatoren oder an Josephsonkontakt-basierte supraleitende Bauelemente ermöglichen. Auf der supraleitenden Seite werden wir Chips entwickeln, die Leiterstrukturen zum magnetischen Einfangen der Atome, für die Kopplung an Rydbergatome optimierte Resonatoren, sowie Josephsonkontakt-basierte Bauelemente (SQUIDs, Qubits) integrieren. Die Nb oder Al-basierten Chips werden so ausgelegt, dass sie mit den für das Fangen der Atome genutzten Techniken kompatibel sind. Die besten Designs werden schließlich im 30 mK-System verwendet.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr. József Fortágh