Occupation-selective photon-pair interactions in a flux-pumped SQUID resonator

In der stillen, supergekühlten Welt des Quantencomputings suchen Wissenschaftler oft nach Licht, das in winzigen elektrischen Schaltkreisen gefangen ist, um Informationen zu speichern. Diese Schaltkreise fungieren wie hochwertige Räume, in denen Mikrowellenphotonen – die Lichtteilchen bei Radiofrequenzen – eine lange Zeit umherfliegen können, ohne zu verschwinden. Da diese Räume so gut darin sind, Energie festzuhalten, bieten sie einen riesigen Raum zur Speicherung komplexer Daten, der weit über das hinausgeht, was einfache Zwei-Zustands-Schalter halten können. Um diese Daten jedoch nutzbar zu machen, müssen Forscher in der Lage sein, sie mit Präzision zu manipulieren. Sie müssen spezifische Operationen am Licht durchführen können, ohne den Rest des Systems zu stören. Jahrelang stützte sich die Standardmethode hierfür darauf, die Tonhöhe des Lichts basierend auf der Anzahl der vorhandenen Teilchen zu verschieben, ein wenig so, wie sich die Tonhöhe einer Gitarrensaiten ändert, wenn man sie niederdrückt. Aber diese Methode hat Grenzen; sie behandelt das Licht als ein passives Objekt, das lediglich seine Frequenz verschiebt, anstatt etwas zu sein, das aktiv verändern kann, wie stark es mit dem Rest der Maschine interagiert.

Ein Team von Forschern hat nun einen Weg entdeckt, der viel tiefer geht: Sie fanden eine Methode, bei der die Anzahl der Teilchen in einem Teil des Schaltkreises direkt kontrolliert, wie stark eine spezifische Interaktion in einem anderen Teil stattfindet, ohne dass die Anzahl der Teilchen im ersten Teil verändert wird. Stellen Sie sich einen Musiker vor, der eine Note auf einem Klavier spielt, während ein zweiter Musiker in der Nähe eine einzelne Taste gedrückt hält. In diesem neuen Aufbau bewirkt die Handlung des zweiten Musikers nicht nur eine Änderung der Tonhöhe der ersten Note, sondern sie verändert tatsächlich, wie laut oder leise der erste Musiker einen bestimmten Akkord spielen kann. Dies ist nicht nur eine subtile Verschiebung des Tons; es ist eine fundamentale Änderung der Stärke der Verbindung zwischen den beiden. Durch die Verwendung einer speziellen supraleitenden Schleife, einem SQUID, das als abstimmbare Brücke für Elektrizität fungiert, modellierten die Forscher ein System, in dem das Vorhandensein von Photonen in einem „Controller“-Modus die eigentlichen Regeln der Interaktion für einen „Signal“-Modus neu gestaltet.

Die Forscher analysierten einen Schaltkreis, in dem zwei verschiedene vibrierende elektrische Moden dieselbe physische Brücke teilen. Sie beschossen diese Brücke mit einem rhythmischen Magnetsignal, einer Technik, die als Flux-Pumpen bekannt ist und darauf ausgelegt ist, Paare von Photonen im Signal-Modus zu erzeugen. Normalerweise verlassen sich Wissenschaftler, wenn sie einen solchen Prozess steuern wollen, auf die Tatsache, dass die Anwesenheit anderer Teilchen die Frequenz der Interaktion verschiebt. Wenn der Controller Null Teilchen hat, resoniert das Signal bei einer Frequenz; wenn er eines hat, resoniert es bei einer anderen. Dies ist ein bekannter Effekt, der als Cross-Kerr-Shift bezeichnet wird. Die Forsend fanden jedoch heraus, dass diese Frequenzverschiebung nur die halbe Wahrheit war. Selbst nachdem sie das System so präzise abgestimmt hatten, dass das Signal für jede unterschiedliche Anzahl von Controller-Teilchen perfekt in Resonanz war, änderte sich die Stärke der Interaktion – die Größe der Energielücke – immer noch in Abhängigkeit von der Anzahl der Teilchen im Controller.

Um dies zu verstehen, mussten die Forscher die reine Mathematik der supraleitenden Schleife betrachten, die sich wie eine Welle verhält, die durch eine Kosinusfunktion beschrieben werden kann. Als sie die exakte Wahrscheinlichkeit berechneten, ein Paar von Photonen im Signal-Modus zu erzeugen, während der Controller-Modus unberührt bleibt, stellten sie fest, dass die Teilchenzahl des Controllers direkt in der Formel auftauchte. Es war, als würde der Controller ein Geheimnis flüstern, das die Interaktion beeinflusst und ihr Volumen verändert, ohne selbst ein Wort zu sprechen. Dieser Effekt entsteht, weil die Quantenfluktuationen des Controller-Modus physisch im selben nichtlinearen Element wie der Signal-Modus präsent sind. Obwohl während des spezifischen Übergangs keine Energie ausgetauscht wird, modifiziert die bloße Existenz der Controller-Teilchen die Landschaft, durch die das Signal reist.

Das Team verifizierte diese Entdeckung durch eine Kombination aus fortgeschrittener mathematischer Modellierung und hochpräzisen numerischen Simulationen. Sie verglichen ihre vereinfachten Theorien mit einer vollständigen, unexpandierten Simulation des Schaltkreises, die als perfekter Referenzpunkt dient. Die Ergebnisse zeigten, dass die Interaktionsstärke über die verschiedenen möglichen Zustände des Controllers hinweg signifikant variierte. Wenn der Controller beispielsweise leer war, hatte die Interaktion eine bestimmte Stärke. Wenn der Controller gerade ein Teilchen enthielt, sank die Stärke merklich ab. Diese Variation war keine Nebenwirkung der Frequenzverschiebung; sie war eine eigenständige, messbare Eigenschaft der Interaktion selbst. Durch die Kartierung dieser Änderungen erstellten die Forscher eine zweidimensionale Landschaft, in der sowohl die Tonhöhe als auch das Volumen der Interaktion unabhängig vom Zustand des Controllers gesteuert werden konnten.

Diese Kontrolle eröffnet neue Möglichkeiten für die Verarbeitung von Quanteninformationen. Da die Interaktionsstärke vom Zustand des Controllers abhängt, konnten die Forscher einen spezifischen Übergang innerhalb des Signal-Modus gezielt ansteuern, während sie andere ignorierten. Sie demonstrierten, dass sie durch Abstimmung der Pumpfrequenz auf einen spezifischen Punkt das Signal von zwei Teilchen zu vier Teilchen bewegen konnten, und zwar mit hoher Präzision, während andere potenzielle Übergänge unberührt blieben. Diese Selektivität ist entscheidend für den Aufbau komplexer Quantenspeicher, bei denen man einen einzelnen Datenpunkt adressieren muss, ohne versehentlich dessen Nachbarn zu stören. Die Forscher fanden heraus, dass sie Geschwindigkeit gegen Präzision abwägen konnten: Durch die Verwendung eines schwächeren Pumps konnten sie die Selektion noch schärfer gestalten, wenngleich die Operation dadurch länger dauern würde.

Über die einfache Selektion hinaus untersuchten die Forscher, was passiert, wenn der Controller in einer Quantensuperposition versetzt wird – einem Zustand, in dem er effektiv zwei verschiedene Teilchenzahlen gleichzeitig besitzt. In diesem Szenario folgt der Signal-Modus nicht nur einem Pfad, sondern folgt zwei verschiedenen Pfaden gleichzeitig, die jeweils durch einen anderen Zustand des Controllers bestimmt werden. Da die Interaktionsstärke und die Resonanz für jeden Pfad unterschiedlich sind, entwickelt sich das Signal auf zwei verschiedene Arten zur gleichen Zeit. Dies erzeugt eine tiefe Verbindung, oder Verschränkung, zwischen dem Controller und dem Signal. Die Forscher berechneten, dass dieser Prozess nahezu eine volle Einheit an Verschränkung erzeugen kann, was eine signifikante Menge für Quantensysteme darstellt, und somit den Zustand des Controllers auf eine Weise mit dem Zustand des Signals verknüpft, die klassisch nicht beschrieben werden kann.

Darüber hinaus zeigten die Forscher, dass dieser Mechanismus dazu verwendet werden kann, hochkomplexe, nicht-standardmäßige Quantenzustände zu erzeugen. Wenn das Signal in einem bestimmten Controller-Sektor angetrieben wird, steigt es eine Leiter von Energieniveaus hinauf, was seine Form verzerrt und Regionen mit negativer Wahrscheinlichkeit in seiner Quantenkarte erzeugt. Diese „negativen“ Regionen sind ein Kennzeichen für wahrhaft quantenmechanisches Verhalten, das nicht durch einfache Wellen nachgeahmt werden kann. Die Forscher fanden heraus, dass sie durch die Wahl des richtigen Controller-Zustands das Signal in dieses hochgradig nicht-klassische Regime zwingen konnten, während Signale in anderen Controller-Zuständen fast vollständig unbeeinflusst blieben. Diese Fähigkeit, komplexe Quantendynamik durch einen einfachen Wechsel des Controller-Zustands ein- oder auszuschalten, bietet ein mächtiges neues Werkzeug zur Erzeugung der exotischen Zustände, die für fortgeschrittene Quantenfehlerkorrektur und Sensorik benötigt werden.

Die Ergebnisse waren nicht nur theoretisch; die Forscher lieferten einen klaren Fahrplan, wie dies in einem echten Labor aufgebaut werden kann. Sie identifizierten die spezifischen Bedingungen, die erforderlich sind, um diesen Effekt von anderen verrauschten Signalen zu isolieren, die in einem echten Schaltkreis stören könnten. Indem sie sicherstellten, dass die Frequenzen anderer unerwünschter Moden weit genug vom Pump-Signal entfernt liegen, konnte die gewünschte Interaktion klar hervorgehoben werden. Das Team bestätigte, dass die notwendigen Komponenten, wie die supraleitenden Schleifen und die Möglichkeit, diese mit Magnetfeldern abzustimmen, bereits in moderner Hardware für Quantencomputing verfügbar sind. Dies bedeutet, dass die occupationsgesteuerte Interaktion kein ferner Traum ist, sondern ein Merkmal, das in bestehende Geräte integriert werden kann.

Letztendlich offenbart diese Arbeit eine neue Ebene der Kontrolle in der Quantenwelt. Sie zeigt, dass der Zustand eines Teils eines Systems mehr tun kann, als nur die Frequenz eines anderen Teils zu verschieben; er kann die Stärke ihrer Verbindung grundlegend verändern. Diese Entdeckung geht über die einfache Frequenzabstimmung hinaus und führt eine Methode ein, bei der die Natur der Interaktion selbst vom Zustand eines Partners abhängt. Durch die Beherrschung dieser bedingten Dynamik können Wissenschaftler präzisere, selektivere und leistungsfähigere Quantenmaschinen bauen, die in der Lage sind, Licht auf eine Weise zu manipulieren, die zuvor als unmöglich galt. Die Fähigkeit, Verschränkung und komplexe Quantenzustände auf Abruf zu erzeugen, allein durch die Vorbereitung des richtigen Controller-Zustands, markiert einen bedeutenden Schritt nach vorn für die praktische Entwicklung von Quantentechnologien.