Dark state as a measurable state by a dispersive readout without a Purcell limit

In der mikroskopischen Welt des Quantencomputings wird Information in fragilen Zuständen gespeichert, die durch die kleinste Berührung aus der Umgebung leicht zerstört werden können. Um diese Information auszulesen, müssen Wissenschaftler diese Quantensysteme mit der Außenwelt verbinden, doch genau diese Verbindung schafft ein gefährliches Paradoxon. Je stärker die Verbindung ist, die zur Messung des Systems verwendet wird, desto schneller verliert das System seine Energie und kollabiert – ein Phänomen, das als Zerfall bekannt ist. Jahrelang glaubten Forscher, sie müssten sich zwischen einem klaren, starken Signal und einem langlebigen Quantenzustand entscheiden; man konnte das eine haben, aber nicht das andere. Dieser Kompromiss war ein großes Hindernis beim Bau von Maschinen, die komplexe Probleme lösen können, ohne auseinanderzufallen.

Einem Forschungsteam in Taiwan ist es nun gelungen, diese Regel zu brechen. Sie entwarfen einen winzigen elektronischen Schaltkreis, der zwei supraleitende künstliche Atome enthält, welche als die grundlegenden Bausteine eines Quantencomputers fungieren. Diese Atome sind mit einem einzigen Messgerät verbunden, aber das Team hat sie in einem spezifischen, symmetrischen Muster angeordnet, das zwei unterschiedliche Arten von Verhalten erzeugt. Eine Art des Verhaltens, die sie einen „hellen“ Zustand nennen, interagiert stark mit dem Messgerät, was es ermöglicht, ihn leicht auszulesen, aber auch dazu führt, dass er schnell Energie verliert. Der andere Typ, ein „dunkler“ Zustand, ist so konstruiert, dass er so gut wie gar nicht mit dem Messgerät interagiert und sich somit effektiv vor dem Energieverlust versteckt, der normalerweise Quanteninformationen zerstört.

Der Durchbruch liegt darin, wie sie diesen verborgenen Zustand sichtbar gemacht haben. Obwohl der dunkle Zustand nicht direkt mit dem Messgerät kommuniziert, entdeckten die Forscher, dass er dennoch einen Fingerabdruck im System hinterlässt, durch eine subtile Wechselwirkung mit seinem hellen Partner. Indem sie den hellen Zustand maßen, konnten sie indirekt die Präsenz des dunklen Zustands mit fast derselben Klarheit nachweisen, als ob dieser direkt interagieren würde. In ihren Experimenten hielt der dunkle Zustand fast doppelt so lange wie der helle Zustand, was bewies, dass er vor dem schnellen Zerfall geschützt war, der normalerweise begrenzt, wie lange ein Quantenbit überleben kann. Dennoch verschob der dunkle Zustand trotz dieses Schutzes die Frequenz des Messgeräts auf eine Weise, die deutlich vom Grundzustand unterschieden werden konnte.

Das Experiment wurde auf einem mikroskopischen Chip durchgeführt, der auf eine Temperatur knapp über dem absoluten Nullpunkt gekühlt wurde. Die Forscher verwendeten Mikrowellenpulse, um das System entweder in den hellen oder den dunklen Zustand zu versetzen. Als sie versuchten, den dunklen Zustand direkt über die Hauptverbindung zu messen, blieb er stumm, was bestätigte, dass er tatsächlich vor den üblichen Energielecks abgeschirmt war. Als sie jedoch untersuchten, wie das System auf eine sanfte Sonde reagierte, fanden sie, dass der dunkle Zustand immer noch eine messbare Verschiebung der Resonatorfrequenz verursachte. Diese Verschiebung war nahezu identisch mit der, die durch den hellen Zustand verursacht wurde, was demonstrierte, dass die Information vorhanden war, um gelesen zu werden, ohne die Strafe des schnellen Zerfalls zu zahlen.

Diese Entdeckung deutet auf einen neuen Weg für das Quantencomputing hin. Durch die Verwendung dieses „dunklen Modus“ könnten Wissenschaftler möglicherweise Quanteninformationen über längere Zeiträume speichern und sie dennoch bei Bedarf auslesen. Die Forscher zeigten, dass der dunkle Zustand mit hoher Zuverlässigkeit präpariert und gemessen werden konnte, was einen Weg bietet, Quantendaten vor der Umgebung sicher aufzubewahren, ohne sie für den Beobachter unsichtbar zu machen. Dieser Ansatz könnte besonders nützlich für das Erkennen und Korrigieren von Fehlern in zukünftigen Quantencomputern sein, in denen die Bewahrung des Informationszustands ebenso wichtig ist wie das Auslesen selbst. Die Arbeit zeigt, dass es durch die sorgfältige Anordnung der Verbindungen zwischen Quantenkomponenten möglich ist, das Beste aus beiden Welten zu haben: einen Zustand, der sowohl langlebig als auch messbar ist.