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Spektroskopische Messung der bekleideten Zustände eines Josephson-Oszillators mit 80-GHz-Mikrowellenphotonen

04.12.2019

Mit einer neuentwickelten Mikrowellen-Tunnelkontaktschaltung ist es gelungen, die quantenelektrodynamischen Eigenschaften eines gekoppelten Systems bestehend aus einem Josephson-Oszillator und einem 80-GHz-Dünnschicht-Resonator sichtbar zu machen und auszumessen. Beobachtet wurden die sogenannten bekleideten Zustände des Systems, die sich im Bereich der Kreuzung der individuellen Resonanz-Kennlinien ausbilden.

 

 

Die bei diesen Experimenten verwendete Schaltung (Bild 1) besteht aus einem Josephson-Kontakt als Signalquelle und einem supraleitenden Einzelelektronentransistor als hochempfindlicher Photonendetektor. Die hohe Empfindlichkeit des Transistors wird durch ein speziell entwickeltes Detektionsregime ermöglicht. Zwischen den beiden Komponenten reiht sich das eigentliche Untersuchungsobjekt ein, bestehend aus einem Josephson-Oszillator und einem koplanaren Wellenleiterresonator. Der Josephson-Oszillator ist als DC-SQUID (SQUID: Superconducting Quantum Interference Device) ausgeführt; diese Schaltung wird auch als Transmon-Qubit bezeichnet (Qubit = Quantum Bit). Im Vergleich zu optischen Quantenelektrodynamik-Messungen fungiert der Josephson-Oszillator in diesem elektrischen Experiment quasi als einzelnes „Atom“, während der koplanare Wellenleiter dem Lichtresonator entspricht.

Eine Besonderheit dieses Experimentes im Vergleich zu ähnlichen Untersuchungen von anderen Gruppen besteht zum einen in den wesentlich höheren Betriebsfrequenzen (80 GHz anstatt typischerweise ca. 5 GHz). Zum anderen ist der gesamte Hochfrequenz-Übertragungsweg von der Signalquelle bis zum Photonendetektor in der planaren Schaltung integriert. Dementsprechend kann das Experiment ausschließlich durch DC-Signale von der Messelektronik gesteuert und charakterisiert werden; es muss keine Hochfrequenzleitung zur gekühlten Schaltung geführt werden.

Die bekleideten symmetrischen und anti-symmetrischen Zustände des gekoppelten Quantenresonator-Systems treten in einem Bereich auf, in dem sich die einzelnen Resonanzkennlinien kreuzen würden. Konkret kommt es zu einem anti-crossing-Verhalten (deutsch: „vermiedene Kreuzung“), wie in Bild 2 gezeigt. Die Messungen weisen auf eine erwartungsgemäß starke, ca. 10 GHz breite Rabi-Aufspaltung des doppelt-entarteten Energieniveaus im gekoppelten Quantenresonator-System hin. Die hohe Ankopplungsstärke entspricht den verhältnismäßig hohen Resonanzfrequenzen in diesem Experiment.

Da die hohen Frequenzen nur knapp unterhalb der supraleitenden Energielücke liegen, weisen die angeregten Qubit-Zustände eine hohe Zerfallsrate von etwa 20 GHz bis 40 GHz auf, was damit auch zu einer niedrigen Durchschnittszahl ‹n›< 1 der gespeicherten Photonen führt. Allerdings beweist die niedrige Photonenzahl die hohe Empfindlichkeit der Detektionsmethode, die in künftigen Untersuchungen noch verbessert werden kann. Dazu werden zurzeit weitere Experimente mit sehr kleinen (sub-100-nm) SQUID-Kontakten und einem breiteren Frequenzbereich angestrebt.

 

 

 Experimentelles Schaltungsdiagramm (rechts) und eine REM-Abbildung eines Einzelelektronentransistors(links)

Bild 1: Experimentelles Schaltungsdiagramm (rechts) und eine REM-Abbildung eines Einzelelektronentransistors, der als Photonendetektor fungiert (links).

 

 

2D-Farbdiagramm-Darstellung des Detektionsstroms (oben)-Hochaufgelöster Ausschnitt aus der 2D-Farbdiagramm-Darstellung des Detektionsstroms (unten)

 

Bild 2: (oben) 2D-Farbdiagramm-Darstellung des Detektionsstroms gegen Magnetfluß durch den Josephson-Oszillator und gegen Frequenz des in den Resonator eingespeisten Signals. (unten) Hochaufgelöster Ausschnitt aus dem obigen Diagramm. Zu sehen ist die vermiedene Kreuzung zweier (durch Strichlinien eingezeichneter) Resonanzen: magnetfeldabhängige Anregungsfrequenz des Josephson-Oszillators (Zustandsbezeichnung: |e,0› ) und der ersten Resonanz im Wellenleiter (|g,1›). Die Resonanzfrequenzen der bekleideten Zustände sind als durchgezogene Linien gezeichnet.

 

 

 

Veröffentlichung:
S.V. Lotkhov, R. Dolata, M. Khabipov, DC measurement of dressed states in a coupled 100 GHz resonator system using a single quasiparticle transistor as a sensitive microwave detector, Appl. Phys. Lett. 115, 192601 (2019)