Arbeitsgruppe Theorie der Quantensystemtechnik


Leiter: Prof. Dr. Anja Metelmann

Unserer Gruppe erforscht die Theorie und Anwendungen der Quantensystemtechnik, der Konstruktion von mesoskopischen Systemen, deren Dynamik durch die Gesetze der Quantenmechanik bestimmt wird. Prominente Beispiele dafür sind supraleitende Schaltkreise, elektro- und optomechanische Systeme sowie in miniaturisierten Magnetfallen gespeicherte und manipulierbare ultrakalte Atome und Ionen. Neben der Erforschung von grundlegenden Aspekten dieser sogenannten Quantenmaschinen untersuchen wir deren praktische Verwendung für hochpräzise Messungen, quantenlimitierte Informationsverarbeitung und Quantencomputing. Zentrale Themen unserer aktuellen Forschung sind die Nichtreziprozität als Werkzeug zur Quanteninformationsverarbeitung und die Entwicklung neuartiger theoretischer Konzepte für quantenlimitierte Verstärker zur Quanteninformationsverarbeitung mittels supraleitender Schaltkreise.

Nichtreziprozität mittels Reservoir-Steuerungstechnik

Im Allgemeinen ist ein Wechselwirkungsprozess zwischen zwei Quantensystemen reziprok, d.h. Wirkung und Rückwirkung sind direkt miteinander verknüpft und beide Systeme werden durch ihre Wechselwirkung verändert. Der Bruch dieser Reziprozitäts-Symmetrie führt zu einem Ungleichgewicht, sodass sich dadurch im Idealfall eine Informationsübertragung in nur eine Richtung einstellen lässt. Diese Situation wird bei der Quanteninformationsverarbeitung als ultimatives Ziel zur Auslese von Quantensystemen ohne deren Beeinträchtigung angestrebt.

Wir haben vor Kurzem eine Methode entwickelt, wie man solche gerichteten Wechselwirkungen zwischen zwei Quantensystemen verwirklichen kann. Sie basiert auf dem Konzept des Ausbalancierens einer kohärenten und einer zugehörigen dissipativen Wechselwirkung. Hierdurch können unidirektionale Bauelemente für die Quanteninformationsverarbeitung konstruiert werden, z. B. bei photonischen Signalen Zirkulatoren, optische Isolatoren oder Richtverstärker. Die Kontrolle der Richtung der Wechselwirkung zwischen zwei Quantensystemen eröffnet auch neue Perspektiven für Quantenzustands-Transferprotokolle, Teleportation und Rückkopplungskontrollalgorithmen. Das Richtungsgebungsprotokoll selbst kann auf ein breites Feld von Quantensystemen angewendet werden und besitzt großes Potential für weitere Anwendungen.

Quantenlimitierte Verstärkung

Durch den Fortschritt bei den Quantentechnologien in den letzten Jahren, insbesondere bei den supraleitenden Schaltungen, hat sich die Notwendigkeit für die Detektion und Signalverarbeitung von auf nur wenigen Photonen basierenden Signalen ergeben. Für die hochgenaue Detektion solch schwacher Signale wurden neuartige Verstärker entwickelt, die auch in diesem Quantenregime noch effektiv funktionieren. Ziel ist es hierbei, die schwachen Signale ohne Beeinträchtigung durch Rauschen im sogenannten Quantenlimit zu verstärken. Ein vielversprechender Weg dahin beruht auf der parametrischen Modulation von mittels Josephson-Kontakten abstimmbar gekoppelten Schwingungsmoden. Alle Entwürfe hierzu sind mit dem Problem der Nichtlinearitäten höherer Ordnung konfrontiert, die die dynamische Bandbreite der Verstärker begrenzen. Der Verstärkungsprozess ist aber bereits selbst nichtlinear, da er beispielsweise auf der Mischung von drei Komponenten besteht, den Pump-, Idler- und Signalen-Wellen. Diese nichtlineare Natur des Mischungsprozesses führt über die Rückwirkung des Ausgangssignals schon intrinsisch zu einer Begrenzung der dynamischen Bandbreite der Verstärker. Wir forschen nach Lösungen dieser unerwünschten Rückwirkungseffekte in Quantenverstärkern.

 

Ausgewählte Veröffentlichungen


(1)   A. Metelmann et al., A Superconducting Qubit that Protects Itself, Physics 14 (2021) 25
(2)   Q. Zhong et al., Exceptional-point-based optical amplifiers, Phys. Rev. Appl. 13 (2020) 14070
(3)   K. Fang et al., Generalized non-reciprocity in an optomechanical circuit via synthetic magnetism and reservoir engineering, Nat. Phys. 5 (2017) 465
(4)   A. Metelmann et al., Nonreciprocal photon transmission and amplification via reservoir engineering, Phys. Rev. X 5 (2015) 21025

 

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