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Quasiteilchen-Untersuchungen in supraleitenden Qubit-Schaltungen

07.12.2006

Supraleitende Schaltkreise, die auf kleinen Josephson-Tunnelkontakten und dem Tunneln einzelner Cooper-Paare basieren, sind viel versprechende Kandidaten für gezielt manipulierbare quantenmechanische Zweizustands-Systeme, so genannte Quantenbits (Qubits). Ihre Wirkungsweise als Qubit beruht auf der kohärenten Superposition von makroskopischen Quantenzuständen, wobei allerdings das Tunneln ungepaarter Elektronen stochastisch und instantan den Ladungszustand und damit den Arbeitspunkt des Qubits ändert. Überdies ist diese so genannte Quasiteilchen-Vergiftung eine Ursache der Dekohärenz des Qubits. Wir haben Quasiteilchen-Übergänge in einem so genannten Ladungs-Phasen Qubit [1] untersucht, das als Aluminium-Bloch Transistor in einer supraleitenden Spule eingebettet ist. Das Ladungs-Phasen Quantenbit besteht aus einer supraleitenden Schleife, die durch zwei Josephson-Kontakte mit einer dazwischen liegenden kleinen Insel, einen 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. Solch ein Qubit-System erlaubt ein dispersives Auslesen der effektiven Josephson-Induktivität des Qubits, und damit der inversen Bandkrümmung des Grundzustands, über einen induktiv-gekoppelten resonanten 77-MHz-Schwingkreis.
In unserem Experiment sind der Bloch-Transistor, die supraleitende Schleife und der Resonanzkreis durch Elektronenstrahllithographie auf einem Chip realisiert, wobei der Resonanzkreis in Standard-Niob-Dreilagen-Technologie und der Bloch-Transistor sowie die supraleitende Spule in Aluminium-Schattenbedampfungstechnik hergestellt sind. Die Al-Tunnelkontakte haben eine Ausdehnung von 80 nm x 80 nm und der resultierende kritische Strom der einzelnen Kontakte beträgt ca. 25 nA mit einem korrespondierenden Wert von 45 µeV für die Josephson-Kopplungsenergie EJ und 110 µeV für die Ladungsenergie EC des Transistors. Beide Werte sind kleiner als die supraleitende Lückenenergie von Al-Filmen ΔAl ≈210 µeV.
Als Ergebnis fanden wir in unseren Proben die erwünschte 2e-periodische Abhängigkeit von der Gate-Ladung des Bloch-Transistors, die man für das Cooper-Paar-Tunneln in den Grundzustand des Qubits erwartet (s. Bild). Andererseits beobachteten wir bei bestimmten Werten des äußeren magnetischen dc-Flusses Φdc und oberhalb einer bestimmten Anregungsschwelle wiederholte Quasiteilchen-Anregungen des Qubits in das angeregte Band, die durch äußere Mikrowellen-Bestrahlung verstärkt wurden. Unsere Messungen erlauben Rückschlüsse über die Dynamik von Quasiteilchen-Anregungen und zeigen möglicherweise einen Weg zur Lösung des Problems der Paritäts-Verletzung in supraleitenden Schaltungen.


Bild 1: Die linke Spalte zeigt die experimentell bestimmte α(VGate)-Abhängigkeit für verschiedene Werte des magnetischen dc-Flusses Φdc und bei unterschiedlichen Amplituden der Oszillationen der Josephson phase Δφ = 30° (durchgezogene Linie) oder 60° (gestrichelte Linie), d.h. unterschiedlichen Anregungsstärken des Qubits. Die Messgröße α gibt dabei den Phasenwinkel des Bloch-Transistors bezogen auf den Resonanz-Kreis an. Sie ist in eindeutiger Weise mit der Energie des Transistors verknüpft. Die rechte Spalte zeigt ein berechnetes Banddiagramm unserer Proben. Es veranschaulicht die beobachtete α-abhängigkeit mit wiederholten Quasiteilchen-Anregungen. Im Arbeitspunkt Φdc = Φ0/2 deutet der dramatische Anstieg von auf eine Beimischung des oberen Qubit-Bandes mit großer positiver Krümmung zum Grundzustands-Band hin.

Referenzen: 
[1] H. Zangerle et al., Phys. Rev. B 73, 224527 (2006)