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Ein gezielt manipulierbares Zweizustands-Quantensystem wird als Quantenbit (Qubit) bezeichnet und erlaubt neben der Untersuchung makroskopischer Quanteneffekte auch den Bau von Quantencomputern. Die Schaltung zum Nachweis von Ladungs-Phasen Qubits besteht aus einer supraleitenden Schleife, die durch zwei Josephson-Kontakte mit einer dazwischen liegenden kleinen Insel, den so genannten Bloch-Transistor, unterbrochen wird. Mit Hilfe einer Steuerelektrode kann die Ladung der Insel manipuliert werden, und durch ein äußeres Magnetfeld kann die Phase der quantenmechanischen Wellenfunktion beeinflusst werden. Vervollständigt wird das Ganze durch einen an die genannte Schleife induktiv angekoppelten HF-Resonanzkreis.

Zur Unterdrückung magnetischer Störfelder wird die supraleitende Schleife in Form eines Gradiometers ausgeführt. Die komplette Qubit-Struktur wird in Niob-Dünnschichttechnik realisiert. Elektronenstrahllithographie und reaktive...

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An der PTB wurden bereits eine Reihe von Messungen von Josephson-Kontakten in Niob-Technologie mit dem Hochfrequenz-Ausleseverfahren für die Impedanz von Josephson-Kontakten nach Rifkin und Deaver, Jr. durchgeführt. Es konnte gezeigt werden, dass im Gegensatz zu bisherigen Experimenten die kleinen Josephson-Kontakte bei DC-Messungen nicht nur einen sehr geringen Leckstrom im Sub-Gap-Bereich aufweisen, sondern dass auch die aus der Phasenmodulation ermittelten kritischen Ströme in der Größenordnung der Ambegaokar-Baratoff-Werte liegen. Unsere Messungen umfassen sowohl Untersuchungen von Einzelkontakten wie auch von Doppelkontakten, sogenannten Bloch-Transistoren, bei tiefen Temperaturen bis 20 mK. Im Experiment werden die Resonanz-Kurven bzw. die Fluss-Modulations-Kurven ausgewertet. Bild 1 zeigt eine typische Resonanzkurve eines untersuchten Bloch-Transistors. Man erkennt eine bezogen auf die Frequenz des Resonanzkreises asymmetrische...

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Die Rapid Single Flux Quantum (RSFQ)-Logik wird als viel versprechender Bestandteil von Josephson-Schaltungen zur Quanteninformationsverarbeitung angesehen. Auf der Basis überdämpfter Josephsonelemente eignen sich RSFQ-Schaltungen grundsätzlich für effiziente Kontrolle und Auslesen von Quanten-Bit (Qubit) Zuständen. Dabei sind geeignete Werte der Überdämpfung der Kontakte durch extern geführte normalleitende Widerstandsshunts gezielt einzustellen. In einem solchen Falle besteht Kopplung zwischen der RSFQ-Schaltung und dem Qubit derart, dass eine aktive Schaltungsumgebung gebildet wird, die wie ein klassischer kryogener Computer operiert. Jedoch erzeugen die Shuntwiderstände der Josephsonelemente Stromfluktuationen, die zu signifikanter Dekohärenz des Qubits beitragen, selbst im passiven (supraleitenden) Zustand der Josephsonelemente. Ein Erfolg versprechendes Verfahren zur Reduzierung dieser Fluktuationen, und damit zur Erhöhung der...

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Durch die zunehmende Miniaturisierung magnetischer Systeme und Bauelemente entsteht derzeit ein wachsendes Interesse an geeigneten magnetischen Messtechniken: Für die detaillierte Charakterisierung von strukturierten magnetischen Medien mit Submikrometerstrukturen muss eine Auflösung im Nanometerbereich erreicht werden. Andererseits erlaubt nur ein großer Abbildungsbereich Aussagen über Ensembles von Strukturen, z. B. zur Charakterisierung der Homogenität der Ensembles und der zugrunde liegenden Fertigungstoleranzen. Weiterhin erfordert ein detaillierter Vergleich von Proben die quantitative Messung von Streufeld- und Magnetisierungswerten. Um alle diese Anforderungen zu erfüllen, wird in Zusammenarbeit mit der Universität Göttingen ein Verfahren entwickelt, das auf einer Kombination von magneto-optischer- (MO-) und Magnetkraftmikroskopie (MFM) basiert. Die MO-Mikroskopie ermöglicht eine quantitative Streufeldmessung...

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Der Einzel-Elektronen-Transport durch einen Nano-Kanal mit Hilfe akusto-elektrischer Wellen wurde in den letzten Jahren intensiv untersucht mit dem Ziel, ihn als Quantenstandard für die Einheit ’Ampere’ nutzbar zu machen. Als Kernproblem auf dem Weg dorthin wurde die zu hohe Temperatur sowohl des Kristallgitters, in dem die Elektronen sich bewegen, als auch des Elektronenensembles selbst erkannt. Die Überhitzung des Elektronenensembles kommt dadurch zustande, dass man mit sehr hohen akustischen Leistungen arbeiten muss, um die Elektronen über eine Potentialbarriere im elektrisch blockierten Kanal zu transportieren. Die Elektronen nehmen dabei Überschussenergie auf, die in Wärme umgesetzt wird.

Wir konnten nun erstmals nachweisen, dass auch bei kleinen akustischen Leistungen ein quantisierter Elektronentransport möglich ist, wenn ein fast offener Kanal benutzt wird. Für diesen Nachweis nutzten wir die elektronischen Eigenschaften des...

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In der PTB ist es gelungen, durch rein optische Anregung elektrische Ströme in Halbleiterstrukturen zu erzeugen. Die Besonderheit dieses Verfahrens besteht darin, dass kein elektrisches Feld benötigt wird, in dem Ladungsträger beschleunigt werden. Im übertragenen Sinn entspricht dies einem Stromfluss ohne Spannungsquelle. Solche Methoden können künftig unter anderem in der hochfrequenten Signalverarbeitung wichtig werden.

Für die Charakterisierung von Höchstfrequenzkomponenten ist es wünschenswert, ultrakurze Strompulse zu erzeugen, deren zeitliche Form man beliebig variieren kann. Bisherige Methoden zur Generation von wenigen 100 fs langen Strompulsen basieren auf einer Mischung von elektronischen und optischen Verfahren und lassen diese Möglichkeit nicht zu. Der PTB ist es nun gelungen, ultrakurze Strompulse mit rein optischen Methoden zu erzeugen. Mit diesem Verfahren ist eine Variation der Form dieser Strompulse prinzipiell...

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Zu Beginn der Untersuchungen des Quanten-Hall-Widerstandes mit Wechselstrom (AC) vor einigen Jahren wurden Widerstandsplateaus gemessen, die nicht nur gekrümmt waren, sondern außerdem Frequenz- und Stromabhängigkeiten aufwiesen. Zudem traten zahlreiche Diskrepanzen zwischen den Messergebnissen verschiedener Staatsinstitute auf, so dass der AC-Quanten-Hall-Effekt in dieser Form noch nicht geeignet erschien, daraus einen AC-Kapazitätsstandard abzuleiten, wie es das ursprüngliche Ziel des Projekts war.

Im Rahmen einer Zusammenarbeit mit den Metrologieinstituten NRC (Kanada) und METAS (Schweiz) wurden diese Diskrepanzen inzwischen aufgeklärt. Außerdem wurden Messbrücken entwickelt, die zum ersten Mal die präzise Messung des AC-Längswiderstandes auf beiden Seiten einer Quanten-Hall-Probe erlauben. Zusammen mit Messungen des AC-Kontaktwiderstandes können somit erstmals all jene Größen mit Wechselstrom gemessen werden, die auch im...

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Zur Zeit werden in der PTB Induktivitätsnormale des DKD und der Industrie mit hohem zeitlichen Aufwand in einer Maxwell-Wien Brücke kalibriert. Um den Aufwand zu reduzieren, soll die Kalibrierung zukünftig durch Vergleich mit Induktivitätsnormalen der PTB in einem 1:1 Komparator erfolgen. Die Kalibrierung der PTB-Normale in der Maxwell-Wien Brücke kann dann in größeren Zeitabständen erfolgen. Voraussetzung für dieses Verfahren ist allerdings eine hohe zeitliche Stabilität der PTB-Normale.

Die vorhandenen Induktivitätsnormale vom Typ GR 1482 haben einen recht großen Temperaturkoeffizienten von 30•10-6/K (typisch). Daher muss bei Raumtemperaturschwankungen von ± 0,5 K mit Änderungen der Induktivitätswerte von 15•10-6 gerechnet werden. Um diese Änderungen zu reduzieren, wurden für die Induktivitätsnormale kompakte Thermostate entwickelt, die die Temperatur im Inneren auf ungefähr 20 mK konstant halten. Die temperaturbedingten, relativen...

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Wechselstrom-Gleichstromstärke-Transfernormale bestehen aus Strommesswiderständen (Shunts) mit nachgeschalteten Thermokonvertern. In der PTB werden dafür planare Vielfachthermokonverter verwendet, die sich durch eine hohe Ausgangsspannung und einen großen Dynamikbereich auszeichnen. Ihre Transferdifferenzen betragen im Frequenzbereich von 10 Hz bis 100 kHz nur wenige 10-6, und die Abhängigkeit von der Messstromstärke ist vernachlässigbar gering. Die verwendeten Shunts sind für hohe Frequenzen optimiert.

Die Kalibrierung von Wechselstrom-Gleichstromstärke-Transfernormalen für höhere Stromstärken erfolgt ausgehend von einem berechenbaren Vielfachthermokonverter [1] für 10 mA bis 30 mA durch Aufbaumessungen. Dabei wird das Normal für die nächst höhere Nennstromstärke bei 10 % bis 30 % seiner Nennstromstärke gegen das entsprechende Normal eingemessen. Voraussetzung für das Aufbauverfahren ist die Unabhängigkeit der Transferdifferenz von...

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Zur Verbesserung der Wechselspannungs-Präzisionsmesstechnik sind programmierbare 10-V-Josephson-Schaltungen besonders erwünscht. Für die Erzeugung und Messung von elektrischen Spannungen bis 10 V werden etwa 70.000 Josephson-Kontakte benötigt, die bei einer Mikrowellen-Frequenz von etwa 70 GHz betrieben werden.

Ein fundamentales Problem der bislang hergestellten 1-V und 10-V-Schaltungen sind eine geringe Zahl (ca. 1 ‰) von kurzgeschlossenen Kontakten bzw. von Kontakten mit einer gegenüber dem Durchschnitt um den Faktor 2 bis 5 erhöhten Stromdichte. In diesen Fällen ist es fast unmöglich, einen Arbeitspunkt auf der Strom-Spannungskennlinie des Arrays zu definieren, für den alle Einzelkontakte unter Mikrowelleneinstrahlung eine quantisierte Spannung (Shapirostufe) ausbilden. Dieses Problem konnte gelöst werden, indem ein entscheidender technologischer Schritt bei der Strukturierung der Kontakte modifiziert wurde: Das Entfernen der beiden...

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