Resonators for hybrid superconductor-atom spin systems

Abstract

Koplanare Mikrowellen-Resonatoren aus supraleitenden Dünnfilmen stellen einen zentralen Baustein der Quanten-Elektrodynamik mit integrierten Schaltkreisen dar (engl. circuit quantum electrodynamics, kurz cQED), in der die fundamentale Wechselwirkung von Mikrowellen-Photonen mit künstlichen Atomen aus supraleitenden Bauelementen untersucht wird. Aufgrund der guten Kontrolle, der selektiven Ansteuerung und der Skalierbarkeit supraleitender Quanten-Bits, kurz Qubits, sind diese stark gekoppelten Systeme, bestehend aus supraleitenden Mikrowellen-Resonatoren und supraleitenden Qubits, aussichtsreiche Kandidaten für die Realisierung einer Quanten-Technologie, die geeignet ist, Quanten-Information unter Benutzung höchst effizienter Algorithmen zu verarbeiten und damit ihre klassischen Gegenstücke zu übertreffen. Aufgrund der geringen Kohärenzzeiten supraleitender Qubits von etwa 100 µs ist jedoch die Rechenzeit eines solchen Quantencomputers beschränkt. Um diese Einschränkungen zu überwinden, wurde eine Vielzahl hybrider Quantensysteme vorgeschlagen, die die Vorteile verschiedener Quantensysteme vereinen.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit verschiedenen Aspekten zur Realisierung eines hybriden Quanten-Systems bestehend aus integrierten supraleitenden Schaltkreisen und langlebigen ultrakalten Rubidium Atomwolken in den magnetischen Grundzuständen. Einerseits haben diese kalten Atomwolken in der Nähe eines supraleitenden Resonators Kohärenzzeiten auf der Sekundenskala und fungieren folglich im Rahmen der hybriden Architektur als Quanten-Speicher. Andererseits ermöglicht die starke Kopplung zwischen supraleitenden Qubits und koplanaren Resonatoren schnelle Rechenprozesse, weshalb supraleitende Qubits als Quanten-Prozessoren dienen.

Aufgrund des starren Energie-Spektrums von kalten Grundzustands-Atomen in einer Magnetfalle ist ein in der Resonanzfrequenz durchstimmbarer Resonator von enormem Vorteil hinsichtlich des Erzeugens resonanter Wechselwirkung. Deshalb werden im Rahmen der Arbeit mehrere Konzepte entwickelt und diskutiert, die eine solche Durchstimmbarkeit erlauben.

Dabei wird zunächst auf zwei Konzepte eingegangen, die für Experimente bei einer Temperatur von etwa 4 K geeignet sind. Das erste Konzept nutzt das nicht-lineare Dielektrikum Strontium-Titanat als Teil eines induktiv gekoppelten Halbwellen-Resonators mit diskretem nicht-linearen Kondensator aus. Im Rahmen der Arbeit wurde ein theoretisches Modell entwickelt, das die Bestimmung der komplexwertigen dielektrischen Funktion von Strontium-Titanat erlaubt, wodurch ein gezielter Einsatz des nicht-linearen Dielektrikums in zukünftigen Proben ermöglicht wird. Die Frequenz konnte dabei, abhängig vom Proben-Design, um 10-50 MHz verstimmt werden, während die Güte-Faktoren mit mehreren 1000 stets relativ groß waren. Der zweite Mechanismus zum Durchstimmen der Resonanzfrequenz war das Ausnutzen der stark temperaturabhängigen kinetischen Induktivität des Supraleiters Niob (kritische Temperatur 9.2 K) für TemperaturenT>4 K. Dabei konnte die Resonanzfrequenz um 100 MHz verändert werden. Aufgrund der einfacheren experimentellen Realisierung wurde das zweite Konzept ausgenutzt, um sowohl die resonante, als auch die nicht-resonante Wechselwirkung zwischen ultrakalten Rubidium Grundzustands-Atomen mit dem Strahlungsfeld eines Resonators zu untersuchen.

Für Experimente bei mK-Temperaturen wurde ein Zwei-Chip Ansatz verfolgt, der das Stapeln zweier Substrate mit supraleitenden Dünnfilmen vorsieht. Der untere Chip enthält dabei einen koplanaren Wellenleiter für Mikrowellen, während der obere Chip einen Mikrowellen-Resonator aus einem Interdigitalkondensator und einer Induktivitäts-Schleife enthält. Ein theoretisches Modell wurde zusammen mit Simulationen der relevanten Schaltkreis-Parameter verwendet, um das Verhalten eines Resonators beim Verschieben des Resonator-Chips gegenüber dem unteren Wellenleiter-Chip vorherzusagen. Der Vergleich mit experimentellen Ergebnissen ist exzellent und zeigt eine Durchstimmbarkeit von etwa 25 MHz. In Abgrenzung zu anderen Konzepten der Durchstimmbarkeit führt das Verwenden dieses Konzepts nicht zu einer Reduktion des Güte-Faktors.

Im letzten Teil der Arbeit wird die Entwicklung eines Probenhalters vorgestellt, der die Realisierung eines hybriden Quantensystems bei mK-Temperaturen ermöglichen soll. Dieser enthält unter anderem integrierte Bias-T-Chips, die aus Supraleitern bestehen und mit deren Hilfe sowohl Mikrowellen, als auch Gleichströme in die Probe eingespeist werden können, ohne eine signifikante Menge an Wärme zu generieren.