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Kohärente supraleitende Quantenschaltungen

Arbeitsgruppe 2.42

Profil

superconducting quantum circuit

Der Fokus unserer Arbeitsgruppe liegt auf kohärenten supraleitenden Quantenschaltkreisen. Solche Schaltkreise werden aus Widerständen, Kapazitäten, Induktivitäten und Josephson-Kontakten aufgebaut. Das Bauteil aus diesen vier jedoch, das eine Vielzahl von unterschiedlichen quantenmechanischen Anwendungen ermöglicht, ist der Josephson-Kontakt. Vereinfacht ausgedrückt ist er eine nicht-lineare Induktivität, die es erlaubt z.B. supraleitende Quantenbits oder parametrische Verstärker mit Rauschen nahe dem absoluten Quantenlimit herzustellen. Allen diesen Schaltkreisen ist gemein, dass ihre charakteristischen Energieskalen sich in der Größenordnung von einigen GHz bewegen. Zu ihrer Kontrolle können daher Hochfrequenzsignale benutzt werden.

In unserer Forschung kombinieren wir FEM und numerische Simulation, Nanofabrikation im Reinraumzentrum der PTB, Tieftemperaturmesstechnik knapp über dem absoluten Nullpunkt und Mikrowellenmesstechnik mit Signalstärken von einigen femto-Watt.

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Forschung/Entwicklung

Die Arbeiten unserer AG lassen sich in drei Themenblöcke gliedern: supraleitende Quantenbits, parametrische Verstärker basierend auf Josephson-Kontakten und die Physik ultra-kleiner Josephson-Kontakte, die in Schaltungen mit sehr hoher Impedanz eingebaut sind. Neben der anwendungsorientierten Grundlagenforschung interessieren wir uns für metrologische Fragestellungen von und mit solchen Schaltkreisen.

Supraleitende Quantenbits

Supraleitende Quantenbits (kurz: Qubits) sind vielversprechende Bausteine für die Verwirklichung eines universellen Quantencomputers. In den letzten Jahren hat das Verständnis für die Physik solcher Qubits stark zugenommen und die Technologie ist deutlich gereift. Im Rahmen des nationalen Großprojekts QSolid (www.q-solid.de, BMBF Förderkennzeichen 13N16158) arbeitet unsere Arbeitsgruppe daran die Kontrolle über, und das Auslesen von supraleitenden Qubits zu verbessern. Weiterhin wird untersucht, wie die Qubit-Technologie benutzt werden kann, um Mikrowellenleistung in einer kryogenen Umgebung mit höchster Genauigkeit zu messen.

Parametrische Verstärker basierenden auf Josephson Kontakten

Typische Signalleistungen beim Auslesen von supraleitenden Qubits bewegen sich im Bereich einiger femto-Watt. Beschrieben im Rahmen der Fachsprache “circuit quantum electrodynamics (cQED)“ entspricht diese Leistung einigen wenigen Photonen. Glücklicherweise erlauben Josephson Kontakte nicht nur die Realisierung von Qubits, sondern auch die Herstellung von speziell designten Metamaterialien, die Drei- und Vierwellenmischung erlauben. Beide Effekte sind aus der Quantenoptik wohlbekannt, hier realisieren wir sie allerdings im Mikrowellenfrequenzbereich. Im Speziellen arbeitet unsere Arbeitsgruppe an sog. „traveling-wave parametric amplifiers“ basierend auf rf-SQUIDS für das Projekt „qBriqs“ (BMBF Förderkennzeichen 13N15949). Außerdem beschäftigen wir uns im EU Horizon Projekt „TruePA“ (www.truepa.eu, Horizon Europe Project 101080152) mit der Weiterentwicklung dieses Verstärkertyps. Ergänzt werden die Aktivitäten zu quantenlimitierten Mikrowellenverstärkern durch Forschung an sog. „Dimer Josephson-junction Array Amplifiers“ für die Anfangsphase des Projekts QSolid (www.q-solid.de, BMBF Förderkennzeichen 13N16158). Der gemeinsame Nenner all dieser Projekte ist die Frage wodurch das Rauschen der Verstärker, ihre Sättigungsleistung und die erzielbare Bandbreite limitiert werden.

Da die Kommerzialisierung von supraleitenden Quantenschaltkreisen rasch fortschreitet ist die Standardisierung der Charakterisierung supraleitender parametrischer Verstärker zunehmend eine Frage für die nationalen Metrologieinstitute. Im Rahmen des europäischen Qu-Test Konsortiums (Horizon Europe Project 101080035) beschäftigen wir uns mit dieser Fragestellung, um mittelfristig solche Messungen in unserer Arbeitsgruppe durchführen zu können.

Bloch-Oszillationen in kleinen Josephson-Kontakten

Kleine Josephson-Kontakte von weniger als 100 nm x 100 nm zeigen faszinierendes Verhalten in ihren Gleichstrom-Transporteigenschaften, wenn sie in Schaltkreise integriert werden, deren charakteristische Impedanz größer als das supraleitende Widerstandsquantum RQ = h/4e2 6.5 kΩ ist. Der Bias-Strom I in solchen Strukturen kann nämlich sog. Bloch-Oszillationen erzeugen, deren Frequenz f über die Elementarladung e proportional zum Strom ist: I = 2e f - ein Effekt, der für die Metrologie potenziell von großem Interesse ist. In unserer Arbeitsgruppe leitet Dr. Sergey Lotkhov zurzeit ein Projekt zur Physik von Bloch-Oszillationen in kleinsten Al/AlOx/Al Josephson Kontakten (DFG Grant Nr. 445530728). Im Rahmen dieser Arbeiten wurde ein Schaltkreis entwickelt, der aus einem SQUID mit kleinsten Al-Josephson Kontakten und Zuleitungen mit sehr hoher Impedanz aus granularem Aluminium und oxidiertem Titan besteht. DC-Messungen zeigen deutliche Signaturen von Bloch-Oszillationen, nämlich ein sog. „back-bending” in den IV-Kennlinien. Das Ziel des Projekts besteht darin diese intrinsischen Oszillationen mit externen Oszillatoren zu Koppeln und dual-Shapiro Stufen quantisierten Stroms zu untersuchen.

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Dienstleistungen

Unsere Arbeitsgruppe bietet keine Dienstleistungen an.

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Informationen

Falls Sie Interesse an unserer Forschung oder der Metrologie von und mit supraleitenden Quantenschaltkreisen haben oder mit uns zusammenarbeiten wollen, nehmen Sie gerne Kontakt mit uns auf.

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