Auf dem Weg zu hybriden Supraleiter/Kalt-Atom Quanten-Schaltkreisen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Projekt sollten Supraleiter-Kaltatom-Hybridsysteme realisieren werden, wobei die Atome in unmittelbarer Nähe eines supraleitenden Chips gefangen und manipuliert werden. Der Chip sollte im Millikelvin-Bereich betrieben werden, was den Betrieb beider Subsysteme im Quantenregime ermöglicht. Die Vision: In dieser Geometrie können die 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. Im Erfolgsfall bietet das Hybridsystem einzigartige Möglichkeiten, die Kopplung zwischen makroskopischen Objekten (supraleitende Qubits, Resonatoren) und natürlichen Atomen zu studieren. Im Zusammenhang mit Quanteninformationsverarbeitung kann man sich ein Hybrid vorstellen, bei der der supraleitende Schaltkreis als Prozessor und die Atome als Quantenspeicher agieren. An supraleitende Resonatoren gekoppelte kalte Atome könnten überdies die Realisierung neuartiger Quantengatter ermöglichen. Bei Projektbeginn war bereits ein Kaltatom-Supraleiter-Setup in Betrieb, das bei einer Badtemperatur von 4.2 K arbeitet. Ebenso waren Messsysteme vorhanden, die die Untersuchung supraleitender Mikrowellenstrukturen in Abwesenheit kalter Atome erlauben. In diesen Setups konnten Konzepte zur Atom-Supraleiter-Kopplung erarbeitet und getestet werden. Auf der Atomseite lag der Fokus auf Rydberg-Atomen, die eine Vielzahl an resonanten Übergängen bieten und eine starke elektrische Dipolkopplung an die supraleitenden Bauelemente ermöglichen. Auf der supraleitenden Seite wurden Chips entwickelt, die für die Kopplung an Rydbergatome optimierte Resonatoren enthalten und mit Strukturen zum Fangen der Atome kombinierbar sind. Ursprünglich waren hierbei magnetische Fallenstrukturen angedacht, im Verlauf des Projekts wurde aber auf optische Dipolfallen übergegangen. Ebenso war zu Projektbeginn ein UHV-Millikelvin-System vorhanden, das für die Erzeugung der Supraleiter-Kaltatom-Hybridsysteme ausgelegt ist. In diesem Kryostaten war im Rahmen eines Vorgängerprojektes ein Teil des Transportweges zum Fangen der Atome und zu deren magnetischem Transport zur Millikelvin-Stufe demonstriert worden. Der Transportweg wurde im Projekt vollständig neu aufgebaut, inkl. der notwendigen Laser- und Mikrowellenkomponenten. Ebenso wurde ein geeigneter supraleitender Chip am Ende des Transportwegs integriert. Die Konstruktion des für den Transport nötigen Spulensystems hat sich leider als erheblich schwieriger erwiesen als erwartet und erstreckte sich bis zum Projektende. Das System ist jetzt funktionsfähig, wobei die eigentlichen Experimente an den gekoppelten Supraleiter-Kaltatom-Hybridsysteme weitergehenden Projekten vorbehalten sind.
Link zum Abschlussbericht
https://oa.tib.eu/renate/handle/123456789/18905
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Cavity-driven Rabi oscillations between Rydberg states of atoms trapped on a superconducting atom chip. Physical Review Research, 4(1).
Kaiser, Manuel; Glaser, Conny; Ley, Li Yuan; Grimmel, Jens; Hattermann, Helge; Bothner, Daniel; Koelle, Dieter; Kleiner, Reinhold; Petrosyan, David; Günther, Andreas & Fortágh, József
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Superconducting on-chip microwave cavity for tunable hybrid systems with optically trapped Rydberg atoms. Physical Review Applied, 23(6).
Wilde, Benedikt; Kaiser, Manuel; Reinschmidt, Malte; Günther, Andreas; Koelle, Dieter; Fortágh, Jószef; Kleiner, Reinhold & Bothner, Daniel
