Coherent oscillations in weakly anharmonic NbSe2 qubit

Das Streben nach dem Bau von Maschinen, die auf eine Weise denken und rechnen können, die für heutige Computer unmöglich ist, beruht auf einer winzigen, fragilen Informationseinheit namens Qubit. Im Gegensatz zu den Bits in einem Standardcomputer, die entweder Null oder Eins sind, kann ein Qubit in einem Zustand existieren, der beide gleichzeitig umfasst, aber nur, wenn es perfekt von der lauten, chaotischen Welt um es herum isoliert bleibt. Um dies zu erreichen, verwenden Wissenschaftler oft supraleitende Schaltkreise, bei denen es sich um elektrische Schleifen handelt, die Strom ohne Widerstand leiten, jedoch nur, wenn sie auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt gekühlt werden. Das Herzstück dieser Schaltkreise ist ein spezieller Übergang, der als Torwächter fungiert und es dem Qubit ermöglicht, sich wie ein Quantenoszillator zu verhalten. Jahrelang haben Forscher diese Übergänge aus Aluminium gebaut, einem Material mit einem gut verstandenen Herstellungsprozess. Aluminium hat jedoch Grenzen; es ist anfällig für mikroskopische Defekte und hat Schwierigkeiten, in starken Magnetfeldern zu funktionieren, was Wissenschaftler daran hindert, diese leistungsstarken Quantenwerkzeuge für bestimmte Arten der kosmischen Detektivarbeit einzusetzen, wie etwa die Suche nach unsichtbaren Teilchen, die aus Dunkler Materie bestehen könnten.

Um diese Barrieren zu überwinden, hat ein Forscherteam zu einer anderen Klasse von Materialien namens Van-der-Waals-Festkörper gewendet. Stellen Sie sich diese wie Stapel ultra-dünner Schichten vor, ähnlich einem Kartendeck, bei denen die Schichten voneinander abziehen und mit atomarer Präzision neu stapeln lassen. Diese Materialien bieten eine sauberere, perfektere interne Struktur als Aluminium und können das Qubit potenziell vor den Defekten abschirmen, die es zum Verlust seines Quantenzustands führen. Während Wissenschaftler bereits Qubits aus Graphen, einer einzelnen Schicht aus Kohlenstoff, hergestellt haben, ist es ihnen bisher noch nicht gelungen, ein funktionierendes Qubit aus anderen vielversprechenden Kandidaten dieser Familie zu erschaffen. In einer neuen Studie haben Forscher erfolgreich ein Qubit aus Niobdiselenid gebaut und getestet, einem Material, das nicht nur ein Supraleiter ist, sondern auch bemerkenswert resistent gegen Magnetfelder. Dieser Erfolg markiert das erste Mal, dass ein Qubit aus diesem spezifischen Material hergestellt wurde, was die Tür zu robusteren Quantengeräten öffnet, die in Umgebungen arbeiten können, in denen Aluminium versagen würde.

Die Forscher konstruierten ihr Gerät, indem sie zwei winzige Flocken Niobdiselenid, die jeweils nur etwa zehn bis fünfzehn Nanometer dick waren, nahmen und sie vorsichtig übereinanderlegten, um einen Übergang zu schaffen, an dem die beiden Schichten aufeinandertreffen. Sie platzierten diesen empfindlichen Übergang in einem hohlen Aluminiumkästchen, das als Resonator dient, um den Zustand des Qubits zu steuern und auszulesen. Um sicherzustellen, dass der Übergang korrekt funktionierte, verbanden sie ihn mit großen Aluminiumpads und umgaben den gesamten Aufbau mit Filtern, um störende Wärme und Strahlung zu blockieren. Das Experiment fand in einem spezialisierten Labor statt, in dem die Temperatur auf etwa zwanzig Millikelvin gekühlt wurde – ein Bruchteil eines Grades über dem absoluten Nullpunkt –, um sicherzustellen, dass das Material supraleitend blieb. Durch das Senden von Mikrowellenimpulsen in den Kasten konnte das Team das Verhalten des Übergangs untersuchen und sehen, ob er wie ein Quantenoszillator agierte.

Was sie fanden, war ein Gerät, das sich exakt so verhielt, wie es ein schwach anharmonischer Oszillator tun sollte, was bedeutet, dass es Quanteninformationen halten konnte, während es gleichzeitig dem Rauschen widerstand, das es normalerweise zerstört. Als die Forscher die Leistung der in das Gerät gesendeten Signale erhöhten, verschob sich die Resonanz der Kavität in einer Weise, die darauf hindeutete, dass das Material sich wie ein „erweichender“ Oszillator verhielt, eine spezifische Art von nichtlinearem Verhalten. Bemerkenswerterweise blieb das Gerät stabil, selbst als die Forscher eine signifikante Menge an thermischem Rauschen einführten, was der Energie von fünf bis zehn zusätzlichen Photonen an Wärmeenergie innerhalb der Kavität entsprach. Dieses Maß an Robustheit ist weitaus überlegen gegenüber dem, was bei anderen Qubits aus ähnlichen geschichteten Materialien beobachtet wurde. Darüber hinaus demonstrierten die Forscher, dass sie durch Anpassung der Eingangsleistung des Signals das Verhalten des Oszillators von „erweichend“ zu „verhärtend“ ändern konnten, wodurch sie effektiv das Vorzeichen seiner Nichtlinearität änderten. Diese Fähigkeit, die fundamentalen Eigenschaften des Geräts abzustimmen, deutet auf eine hohe Kontrolle über das Quantensystem hin.

Der kritischste Test für jedes Qubit ist die Frage, wie lange es seinen Quantenzustand halten kann, bevor es die Kohärenz verliert – eine Eigenschaft, die durch einen Wert namens Relaxationszeit gemessen wird. In diesem Experiment behielt das Niobdiselenid-Qubit seinen Zustand für 6,5 Mikrosekunden bei, eine Dauer, die etwa hundertmal länger ist als die besten bisher erzielten Ergebnisse mit Graphen-basierten Qubits. Diese verlängerte Lebensdauer ist wahrscheinlich auf die hohe kristalline Qualität des Niobdiselenids zurückzuführen, welche die internen Defekte, die Quantenzustände normalerweise stören, minimiert, kombiniert mit der Fähigkeit des Materials, höheren Strömen standzuhalten. Das Team beobachtete zudem klare, rhythmische Oszillationen im Zustand des Qubits, bekannt als Rabi-Oszillationen, was bestätigte, dass das Gerät mit Präzision manipuliert werden konnte. Obwohl sie nicht in der Lage waren, die volle Dekohärenzzeit zu messen, da die erforderlichen Steuerimpulse zu lang waren, stellt allein die Relaxationszeit einen massiven Sprung nach vorn für diese Materialklasse dar.

Diese Arbeit dient als kraftvoller Beweis dafür, dass Van-der-Waals-Materialien erfolgreich in Quantentechnologien integriert werden können, was den Weg zu Geräten ebnet, die langlebiger und vielseitiger als aktuelle Aluminium-basierte Systeme sind. Die Fähigkeit von Niobdiselenid, in starken Magnetfeldern zu funktionieren, ist besonders bedeutsam, da sie darauf hindeutet, dass diese Qubits schließlich in Experimenten zur Detektion Dunkler Materie eingesetzt werden könnten – eine Aufgabe, die es erfordert, Quantensensoren direkt in starke Magnete zu platzieren, in denen traditionelle Aluminium-Qubits aufhören würden zu arbeiten. Während das aktuelle Gerät eine geringe Nichtlinearität aufweist, was die Leichtigkeit der Nutzung für bestimmte Arten von Berechnungen einschränkt, merken die Forscher an, dass dieser Parameter in zukünftigen Designs durch Anpassung der Größe des Übergangs oder durch präzisere Herstellungstechniken fein abgestimmt werden kann. Indem sie beweisen, dass ein Qubit aus diesem Material gebaut werden kann und mit einer solch hohen Kohärenz arbeitet, liefert die Studie ein solides Fundament für die nächste Generation von Quantensensoren und Quantencomputern und schlägt die Brücke zwischen exotischen Materialien und praktischen Quantenanwendungen.