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Was ein zerknülltes Blatt Papier mit Quantentechnologie zu tun hat: Ein Forschungsteam der EPFL in Lausanne (Schweiz) und der Universität Konstanz nutzt die Topologie in der Mikrowellenphotonik, um Systeme von miteinander gekoppelten Quantenresonatoren zu verbessern.
Kleiner, vielseitiger, leistungsfähiger: Ein Team von Physiker*innen aus Lausanne und Konstanz entwickelte fortschrittliche Bausteine für die Quantentechnologie in Form von neuartigen „coupled cavity arrays“ (CCA), also miteinander gekoppelten Quantenresonatoren. Diese CCAs basieren auf der anorganischen Verbindung Niobiumnitrid, besitzen eine hohe kinetische Induktivität und sind bestens für supraleitende Anwendungen geeignet. Sie bilden damit eine vielversprechende Grundlage für optimierte Qubits eines künftigen Quantencomputers. Zugleich eröffnen sie neue Möglichkeiten für Quantensimulationen: Anhand dieser kontrollierten Modellsysteme lassen sich kompliziertere Quantenvorgänge einfacher erforschen. Eine entscheidende Rolle spielt bei diesen CCAs deren Topologie. Was dies mit einem zerknüllten Blatt Papier zu tun hat, verrät Co-Autor Oded Zilberberg, Professor am Fachbereich Physik der Universität Konstanz.
Eine Frage der Topologie
Wenn ein Quantenphysiker von Topologie spricht, dann meint er damit die Frage, wie die Anordnung eines Quantensystems in seiner Gänze seine einzelnen Bestandteile beeinflusst – und wie die Details wiederum das Ganze formen. Wie werden physikalische Prozesse von ihrer Umgebung beeinflusst? Und kann uns Wissen über die Topologie eines Systems dabei helfen, das Verhalten seiner Bestandteile vorherzusagen?
Was kompliziert klingt, lässt sich mit einer einfachen Analogie erklären. Stellen Sie sich ein Blatt Papier vor. Wenn Sie das Papier in der Mitte zerknüllen, dann werden sich Knicke nicht nur in der Mitte bilden, sondern auch an den Kanten. Nun stellen Sie sich vor, Sie könnten nur die Kanten des Papiers sehen. Wenn Sie dort Knitterspuren finden, dann ist das ein guter Hinweis darauf, dass auch die Mitte des Papiers zerknittert sein könnte. In diesem Sinne liefert uns ein Blick auf die Kanten Informationen über das Zentrum, auch wenn wir es nicht sehen können.
Die Forschung von Oded Zilberberg folgt einer ähnlichen Logik. Nun erforscht Zilberberg zwar nicht Falten im Papier, dafür aber die Topologie von Photonen – den „elementaren Bausteinen des Lichts“ –, wie sie sich im Inneren eines strukturieren Materials bewegen. Oded Zilberberg ist ein Pionier der „topologischen Photonik“. Er interessiert sich für die Frage, wie die globale Struktur eines Quantensystems seine inneren Dynamiken beeinflusst. Ließe sich in einem Quantensystem durch eine optimierte Topologie auch ein vorteilhafteres Quantenverhalten erzielen? Und kann uns das sorgfältige Beobachten der Ränder eines Systems enthüllen, welche verborgenen physikalischen Prozesse sich in seinem Zentrum abspielen?
Ein neues Messverfahren, von der Topologie inspiriert
Im gemeinsamen Forschungsprojekt mit der EPFL verfolgte Zilberberg einen Ansatz, der dem Beispiel des zerknitterten Papiers durchaus ähnlich ist. Störungen im Inneren eines physikalischen Systems setzen sich zu seinen Rändern hin fort. Dies machte sich das Forschungsteam bei den neuen CCAs zunutze. Die Physiker*innen können zwar das Innere nicht direkt einsehen, aber sie können die Ränder beobachten und daraus Rückschlüsse auf das Innere ziehen. Auf diese Weise detektieren sie Störungen und Verunreinigungen in den CCAs und sorgen für ein reibungsloses Funktionieren. Oded Zilberberg nennt sein Verfahren ein „topology-inspired disorder meter“, also ein von der Topologie inspiriertes Messverfahren für Störungen. Mit diesem innovativen Messverfahren trug Zilberberg zu dem Entwicklungsprozess der neuartigen CCAs bei.
Die Forschungsergebnisse wurden im April 2025 im Fachmagazin Nature Communications veröffentlicht: https://www.nature.com/articles/s41467-025-58595-8
Faktenübersicht:
•Originalpublikation: Jouanny, V., Frasca, S., Weibel, V.J., Zilberberg, O., Scarlino, P. et al. High kinetic inductance cavity arrays for compact band engineering and topology-based disorder meters. Nat Commun 16, 3396 (2025).
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-58595-8
Link: https://www.nature.com/articles/s41467-025-58595-8
•Gemeinsames Forschungsprojekt der École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) und der Universität Konstanz.
•Prof. Dr. Oded Zilberberg leitet die Arbeitsgruppe „Quantum engineered systems“ an der Universität Konstanz. Er ist Mitglied des Sonderforschungsbereichs SFB 1432 „Fluctuations and Nonlinearities in Classical and Quantum Matter beyond Equilibrium“.
Criteria of this press release:
Journalists, Scientists and scholars
Biology, Physics / astronomy
transregional, national
Research results
German
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