Interfacing cold atoms and superconductors

Abstract

One of the major challenges of the last decade in physics has been the practical implementation of quantum computing. One very promising candidate for this task are processors using superconducting qubits. While superconducting circuits working in the quantum regime can process quantum information at high rates, they lack the ability to store quantum information on timescales which are longer than a few microseconds. Unfortunately, there is no single quantum system which fulfills all the criteria for a quantum computer. It is therefore very interesting to combine two different quantum systems in order to exploit their respective advantages.

This thesis describes a path towards constructing a hybrid quantum system of ultracold atoms and superconducting microstructures. The ultimate goal of this is a hybrid system in which quantum information is processed by superconducting qubits, transferred using a superconducting coplanar microwave resonator and stored in an ensemble of cold rubidium-87 atoms. The experimental system used to pursue this goal combines a cold atom setup at room temperature with a helium flow cryostat, which is used to cool superconducting structures to a temperature of 4.2 K. Atoms are prepared and trapped in magnetic potentials created by currents in a superconducting microtrap. We study the influence of the Meissner effect on the magnetic field, which greatly perturbs the magnetic trapping potential when atoms are brought close to superconducting structures. It is demonstrated that lifetimes of atomic ensembles in the vicinity of superconductors are not limited by Johnson noise induced spin flips, as it would be the case for normal conductors. We trap atomic ensembles on a superconducting atom chip and subsequently transport them into the gap of a coplanar microwave resonator. The transport is greatly facilitated by screening currents in the resonator ground planes, which keep the magnetic flux inside the superconducting resonator constant. Using these screening currents, a magnetic trap based on persistent currents is created. We prepare atomic ensembles on the atom chip in a quantum superposition state using a two-photon radio-frequency and microwave transition. The coherence of this superposition is shown to be on the order of T2 ~10 s, five orders of magnitude longer than the coherence time of superconducting circuits. It is demonstrated that long atomic coherence times can be achieved even in the presence of the nearby superconducting cavity, making atomic ensembles attractive as quantum memories in a hybrid quantum architecture.

In a further experiment, we study the temporal evolution of electric fields close to a metallic surface, when atoms are repeatedly deposited on it. Atoms which are adsorbed at the surface give rise to an electrostatic field which impacts the energy of Rydberg atoms by the Stark effect. The energy of the Rydberg levels is observed using electromagnetically induced transparency. It is shown that these adsorbate fields can be detrimental in experiments which aim at coupling Rydberg atoms to coplanar resonators, as the Rydberg levels are shifted out of the cavity resonance.

Eine der größten Herausforderungen der Physik unserer Zeit ist die praktische Umsetzung der Quanteninformationsverarbeitung. Einer der vielversprechendsten Ansätze in dieser Hinsicht beruht auf Prozessoren mit supraleitenden Qubits. Mehrere Experimente haben gezeigt, dass supraleitende Schaltkreise, die im Quantenregime arbeiten, in der Lage sind, Quantenalgorithmen auf sehr kurzen Zeitskalen auszuführen. Allerdings ist es mit supraleitenden Bauelementen nicht möglich, Quanteninformation über Zeiten, die länger als ein paar Mikrosekunden sind, zu speichern. Da kein einzelnes Quantensystem alle Bedingungen für einen Quantencomputer erfüllt, besteht großes Interesse an der Konstruktion eines hybriden Quantensystems, das die Vorteile verschiedener Quantensysteme ausnutzt.

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Fortschritte in der Realisierung eines hybriden Systems aus ultrakalten Atomen und supraleitenden Mikrostrukturen. Das Ziel ist ein System, in der Quanteninformation mit Hilfe von supraleitenden Qubits verarbeitet wird, über einen supraleitenden koplanaren Mikrowellenresonator übertragen und in einem Ensemble aus kalten Rubidium-87-Atomen gespeichert wird. Der experimentelle Aufbau, mit dem dieses Ziel verfolgt wird, kombiniert eine Anlage zur Erzeugung kalter Atomwolken mit einem Helium-Durchflusskryostaten zur Kühlung supraleitender Strukturen auf Temperaturen von 4,2 K. Atome werden in magnetischen Potentialen, die durch Ströme in den Supraleitern erzeugt werden, gefangen und manipuliert. Wir untersuchen den Einfluss des Meißner-Effekts auf das magnetische Fallenpotential, wenn Atome in die Nähe supraleitender Strukturen gebracht werden. Der Meißner-Effekt bewirkt sowohl eine Verschiebung des Fallenminimums in Richtung Oberfläche als auch eine Verringerung der Fallentiefe. Wir zeigen, dass die Lebensdauer atomarer Ensembles in der Nähe von Supraleitern - im Gegensatz zu Normalleitern - nicht durch atomare Verluste, die durch Johnson-Rauschen verursacht werden, begrenzt sind.

Atome werden auf einem supraleitenden Atomchip in einer Magnetfalle gefangen und mit Hilfe von Magnetfeldern in den Spalt eines koplanaren Resonators gebracht. Der Transport der Atome in den Spalt wird durch Abschirmströme in den Masseflächen des Resonators ermöglicht, die den magnetischen Fluss innerhalb des Resonators erhalten. Diese Abschirmströme erlauben ebenfalls die Erzeugung einer Magnetfalle, die auf supraleitenden Dauerströmen beruht. Durch einen Zweiphotonenübergang, der Mikrowellen und Radiofrequenzen nutzt, werden atomare Ensembles auf dem Chip in einem Quanten-Überlagerungszustand präpariert. Die Kohärenz dieser Überlagerung bleibt auf Zeitskalen in der Größenordnung von T2 ~10 s erhalten, fünf Größenordnungen länger als die Kohärenz supraleitender Bauelemente. Es wird gezeigt, dass lange Kohärenzzeiten auch in der Nähe des supraleitenden Resonators erreichbar sind. Dies macht Atomwolken als Quantenspeicher in einer hybriden Quantenarchitektur interessant.

In einem weiteren Experiment wird die zeitliche Entwicklung von elektrischen Feldern in der Nähe einer leitenden Oberfläche untersucht, auf die wiederholt Atome aufgebracht werden. Wenn Atome an einer Oberfläche adsorbiert werden, verursachen sie durch Ausbildung eines Dipols ein elektrostatisches Feld, welches durch den Stark-Effekt die Energie von Rydberg-Atomen in der Nähe beeinflusst. Die Energie der Rydberg-Zustände wird mit Hilfe von elektromagnetisch induzierter Transparenz untersucht. Es wird gezeigt, dass die von Adsorbaten erzeugten Felder negative Auswirkungen auf Experimente haben können, in denen Rydberg-Atome an koplanare Resonatoren gekoppelt werden sollen.