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Aus supraleitenden Schaltkreisen entstehen an der TU Wien und am ISTA neuartige Quantensysteme, die viel besser kontrollier- und steuerbar sind als natürliche Quantensysteme, wie etwa Atome.
Viele der Objekte, mit denen man in der Quantenphysik normalerweise zu tun hat, können höchstens mit speziellen Mikroskopen sichtbar gemacht werden – Moleküle oder einzelne Atome etwa. Die Quantenobjekte, mit denen Elena Redchenko am Atomistitut der TU Wien arbeitet, sind aber (mit etwas Mühe) sogar mit freiem Auge zu erkennen: Sie haben eine Größe von hunderten Mikrometern. Für menschliche Maßstäbe immer noch winzig, für Quanten-Verhältnisse aber gigantisch.
Es handelt sich um supraleitende Stromkreise – um kleine Strukturen, in denen elektrischer Strom bei tiefen Temperaturen ganz ohne Widerstand im Kreis fließt. Im Gegensatz zu Atomen, die von der Natur vorgegebene Eigenschaften haben, sind dieses künstlichen Strukturen extrem gut adaptierbar und erlauben es, unterschiedliche physikalische Phänomene auf kontrollierte Weise zu studieren. Man kann sie als „künstliche Atome“ betrachten, deren Eigenschaften nach Belieben angepasst werden können.
Durch eine Kopplung mehrerer solcher Strukturen entstand ein system, mit dem man nun Licht aufbewahren und wieder auslesen kann – eine wichtige Voraussetzung für weitere Quanten-Experimente. Das Experiment wurde in der Gruppe von Johannes Fink am ISTA durchgeführt, mit theoretischer Zusammenarbeit von Stefan Rotter am Institut für Theoretische Physik an der TU Wien. Die Ergebnisse wurden nun im Fachjournal „Physical Review Letters“ publiziert.
Maßgeschneiderte „Atome“
Eine entscheidende Eigenschaft der Quantenphysik ist, dass bestimmte Objekte nur ganz bestimmte Energie-Werte annehmen können. „Ein Elektron, das sich um einen Atomkern bewegt, kann mal einen Zustand geringerer Energie annehmen, oder einen Zustand höherer Energie, aber niemals einen Zustand dazwischen“, sagt Elena Rechenko vom Atominstitut der TU Wien, die Erstautorin der aktuellen Publikation. „Alle Werte dazwischen sind physikalisch einfach nicht möglich. Bei unseren künstlichen Atomen können wir aber selbst wählen, welche Energiewerte erlaubt sind. Wir können bei jedem einzelnen von ihnen genau einstellen, wie groß der Abstand zwischen den physikalisch erlaubten Energiewerten sein soll.“
Durch einen speziellen Metalldraht (einen Resonator), der direkt an den supraleitenden künstlichen Atomen vorbeiführt, werden Mikrowellen geschickt. Diese Mikrowellen beeinflussen nun die supraleitenden künstlichen Atome: Ein Teil der Mikrowellenstrahlung kann vom Draht in die künstlichen Atome überwechseln – und wieder zurück. Auch die Stärke dieser Wechselwirkung kann man gezielt anpassen.
„Wir können zeigen, dass Photonen auf exakt vorhersagbare Weise zwischen der Mikrowelle im Draht und den künstlichen Atomen ausgetauscht werden“, sagt Elena Rechenko. „Das ist nur deshalb möglich, weil wir mit unseren künstlichen Atomen ein gewaltiges Maß an Freiheit haben, unser System nach unseren Wünschen detailgenau anzupassen.“ Damit sind nun Kunststücke möglich, die mit Atomen oder anderen natürlichen Quantenobjekten undenkbar wären.
Quanten-Lichtpulse und Quanten-Speicher
Wenn man die künstlichen Atome richtig anpasst, , kann man etwa ganz spezielle Rhythmen aus Lichtpulsen erzeugen. „Wir schicken einen kurzen klassischen Mikrowellenimpuls in den Draht, aber durch die Wechselwirkung mit den künstlichen Atomen kann daraus eine Reihe von Quantenlichtimpulsen entstehen, in einem zeitlichen Abstand, den wir steuern können. Es ist wie ein Quantentimer auf dem Chip“, erklärt Elena Rechenko.
„Wir haben in unserer Arbeit gezeigt, wie flexibel dieses System ist, und wie zielgenau man es für ganz unterschiedliche Quantenexperimente einsetzen kann“, sagt Elena Rechenko. „Man kann damit etwa einzelne, sauber voneinander getrennte Photonen erzeugen – das ist für viele Experimente wichtig. Man kann damit aber auch Photonen für eine bestimmte Zeit in diesem Frequenzkamm zwischenlagern, bis sie dann wieder freigegeben werden – auch das ist eine Technik, die spannende neue Anwendungen verspricht.“
Elena Rechenko, PhD
Atominstitut
Technische Universität Wien
elena.redchenko@tuwien.ac.at
E.S.Redchenko et al., Observation of Collapse and Revival in a Superconducting Atomic Frequency Comb, Phys. Rev. Lett. 134, 063601 (2025).
Mikroskop-Aufnahme der Struktur
TU Wien
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Criteria of this press release:
Journalists, all interested persons
Physics / astronomy
transregional, national
Research results, Scientific Publications
German
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TU Wien
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