Controllable interaction between photons and distant spins via vacuum Rabi oscillations
Diese Arbeit demonstriert den kontrollierbaren Energietransfer zwischen zwei entfernten Elektronenspin-Qubits über einen supraleitenden Resonator durch die gezielte Erzeugung multipler Rabi-Oszillationen im Vakuum und etabliert damit einen grundlegenden Baustein für die Kopplung von Halbleiter-Spin-Qubits mit photonischen Verbindungen.
Originalarbeit lizenziert unter CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dies ist eine KI-generierte Erklärung des untenstehenden Papers. Sie wurde nicht von den Autoren verfasst oder gebilligt. Für technische Genauigkeit konsultieren Sie das Originalpaper. Vollständigen Haftungsausschluss lesen
Stellen Sie sich das Universum als eine riesige, unsichtbare Tanzfläche vor, auf der Energie die Musik ist. In der Welt der Quantenphysik findet der aufregendste Tanz statt, wenn zwei sehr unterschiedliche Partner aufeinandertreffen: ein „Spin“, der wie ein winziger, rotierender Magnet in einem Atom ist, und ein „Photon“, ein einzelnes Paket aus Licht. Normalerweise unterhalten sich diese beiden nicht viel miteinander. Aber wenn man das Licht in einer speziellen Box (einem Resonator) einfängt und den Spin sowie das Licht exakt mit der gleichen Geschwindigkeit vibrieren lässt, können sie einen perfekten, rhythmischen Austausch beginnen. Sie tauschen Energie hin und her, wie zwei Kinder auf einer Schaukel, die sich gegenseitig immer höher schubsen. Dies wird als „Vakuum-Rabi-Oszillation“ bezeichnet. Wissenschaftler interessieren sich dafür, weil es der ultimative Handschlag zwischen Materie und Licht ist. Wenn wir diesen Tanz meistern können, könnten wir ein „Quanten-Internet“ bauen, in dem Informationen als Licht zwischen Computern fliegen und so winzige Prozessoren verbinden, die weit voneinander entfernt sind – genau wie das Versenden eines Briefes per Post, nur mit der Geschwindigkeit des Lichts.
In dieser neuen Studie beschlossen Forscher der Technischen Universität Delft und QuTech zu prüfen, ob sie diesen Tanz zwischen zwei entfernten Partnern mithilfe eines ganz spezifischen Aufbaus zum Laufen bringen können. Sie bauten ein winziges Bauteil aus Silizium und supraleitendem Metall, das zwei „Doppel-Quantenpunkte“ (was im Wesentlichen winzige Käfige sind, die einzelne Elektronen halten) aufweist, die 250 Mikrometer voneinander entfernt platziert sind – etwa der Breite eines menschlichen Haares. Diese Käfige sind durch einen supraleitenden Draht verbunden, der als Autobahn für Mikrowellen-Photonen dient. Das Ziel des Teams war es zu sehen, ob sie eine einzelne Energieeinheit von einem Elektronen-Spin nehmen, sie in ein Photon verwandeln, sie den Draht hinuntersenden und dann den zweiten Elektronen dazu bringen können, dieses Photon einzufangen und wieder in Energie umzuwandeln.
Die Forscher fanden heraus, dass sie dies tatsächlich bewirken konnten. Durch sorgfältig getimte Spannungsimpulse gelang es ihnen, das System ein- und auszuschalten, wodurch das erste Elektron mit dem Mikrowellen-Resonator „tanzen“ konnte. Sie beobachteten, wie die Energie mehrmalig hin und her getauscht wurde, was bestätigte, dass der Spin und das Photon eng gekoppelt waren. Der Tanz war so stark, dass sie ihn genau auf der Hälfte stoppen konnten, wodurch die Energie effektiv als ein einzelnes Photon im Resonator gefangen wurde. Dann ließen sie das zweite Elektron am Tanz teilnehmen. Genau wie vorhergesagt fing das zweite Elektron das Photon auf und absorbierte dessen Energie, womit der Transfer von einem fernen Spin zum anderen abgeschlossen wurde.
Um zu beweisen, dass es sich bei der Energie tatsächlich um ein einzelnes Photon handelte und nicht nur um eine verschwommene Energiewolke, wandte das Team einen klugen Trick an. Sie begannen mit zwei angeregten Elektronen und tauschten eines davon in den Resonator ein, sodass der Resonator mit genau einem Photon besetzt war. Als sie das zweite Elektron mit diesem „vollen“ Resonator tanzen ließen, beschleunigte sich der Rhythmus des Austauschs. Diese Beschleunigung ist ein bekanntes Merkmal dafür, dass ein einzelnes Photon vorhanden ist, was bestätigte, dass sie erfolgreich einen „Fock-Zustand“ erzeugt hatten – einen Zustand mit einer präzisen Anzahl von Teilchen. Das Team maß diese Beschleunigung und berechnete, dass der Resonator während dieser Tests durchschnittlich etwa 0,65 bis 0,69 Photonen enthielt, was nahe am idealen Einzelphoton liegt, wenn auch nicht perfekt.
Der Artikel merkt zudem an, dass der Tanz zwar erfolgreich war, aber nicht perfekt reibungslos verlief. Die Elektronen verloren ihren Rhythmus etwas schneller, als Wissenschaftler es normalerweise bei Siliziumchips beobachten, was wahrscheinlich auf unsichtbares elektrisches Rauschen im Hintergrund zurückzuführen ist. Dennoch ist die Tatsache, dass sie trotz dieses Rauschens mehrere Runden der Oszillation beobachten konnten, ein bedeutender Schritt nach vorn. Die Forscher schlagen vor, dass diese Methode mit saubereren Materialien und besserer Technik in zukünftigen Geräten zu einer zuverlässigen Möglichkeit werden könnte, Quantencomputer miteinander zu verbinden und diese winzigen Silizium-Spins in die Knotenpunkte eines massiven, lichtgeschwindigkeitsbasierten Netzwerks zu verwandeln.
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