Qubits oder Quantenbits sind hauptsächlich für ihre Rolle in der Quanteninformatik bekannt, werden aber auch in der analogen Quantensimulation verwendet, bei der ein kontrolliertes Quantensystem verwendet wird, um ein anderes, komplexeres zu simulieren. Eine analoge Quantensimulation kann effizienter sein als eine digitale Simulation, genauso wie es einfacher ist, einen Windkanal zu verwenden, um die Gesetze der Aerodynamik zu simulieren, anstatt viele komplexe Gleichungen zu lösen, um die Luftströmung vorherzusagen.
Der Schlüssel zum digitalen Quantencomputing und zur analogen Quantensimulation liegt in der Fähigkeit, die Umgebung, mit der die Qubits interagieren, zu gestalten. Ein besonders effektives Werkzeug dafür ist ein Coupled Cavity Array (CCA), winzige Strukturen, die aus mehreren Mikrowellenhohlräumen bestehen, die in einem sich wiederholenden Muster angeordnet sind, wobei jeder Hohlraum mit seinen Nachbarn interagieren kann. Diese Systeme bieten Wissenschaftlern neue Möglichkeiten, Quantensysteme zu entwerfen und zu steuern.
So wie Elektronen in Kristallen den Fluss von Elektrizität bei bestimmten Frequenzen blockieren können - wodurch Halbleiter und Isolatoren entstehen - kann sich in CCAs Licht (in Form von Photonen) nur bei bestimmten Wellenlängen ausbreiten. Durch sorgfältige Anpassung der Geometrie dieser Resonatoren können die Wissenschaftler genau auswählen, welche Wellenlängen die Photonen nehmen können und welche nicht.
Ein Team der EPFL unter der Leitung von Professor Pasquale Scarlino, Leiter des Labors für hybride Quantenschaltkreise, hat zusammen mit Marco Scigliuzzo, Forscher am Labor für Quantenphotonik und Quantenmessungen der EPFL, und Professor Oded Zilberberg von der Universität Konstanz (Schweiz) ein Projekt zur Erforschung von Quantenschaltkreisen durchgeführt.Das Labor von Pasquale Scarlino ist Experte auf diesem Gebiet und hat ein innovatives CCA-Design mit Niobnitrid (NbN) entwickelt, einem Supraleiter, der auf der fortschrittlichen Materialeigenschaft der hohen kinetischen Induktivität basiert.
Auf der Grundlage der hohen kinetischen Induktivität haben die Forscher die Existenz einer neuen Klasse von CCAs nachgewiesen, bei denen jeder Hohlraum stark miniaturisiert ist und die unerwünschte Unordnung in den Resonanzfrequenzen aller Hohlräume auf ein Minimum reduziert ist. Diese beiden Eigenschaften sind entscheidend, um die erforderliche Funktionalität in zukünftigen Quantencomputern und -simulationen zu erreichen.
Die in Nature Communications veröffentlichte Forschung zeigt ihre Fähigkeit, ein kompaktes Netzwerk mit bis zu 100 hochqualitativen Kavitäten zu erstellen. Sie zeigten, wie diese Strukturen funktionieren, und nutzten sie, um ein Material namens photonischer topologischer Isolator zu imitieren, das Licht auf sehr kontrollierte und ungewöhnliche Weise entlang seiner Kanten leiten kann. "Wir bauen bereits auf dieser Arbeit auf, um künstliche Atome zu untersuchen, die an diese Architektur gekoppelt sind", erklärt Vincent Jouanny, Erstautor des Artikels.
"Unser Ansatz zeigt, dass Kompaktheit und Präzision keine gegensätzlichen Ziele sind, sondern sich ergänzende Werkzeuge, um die Technologie der Quantenbauelemente voranzutreiben", sagt Pasquale Scarlino. "Diese Arbeit zeigt, wie ein durchdachtes Design Kompaktheit, hohe Impedanz und geringe Unordnung ausbalancieren kann, was eine vielseitige Plattform für gekoppelte Hohlraumnetzwerke ergibt, die neue Möglichkeiten für fortgeschrittene Quantensimulationen und die Erforschung von Quantenphänomenen eröffnet".
Durch die Nutzung der einzigartigen Eigenschaften von Niobnitrid haben die Forscher der EPFL neue Möglichkeiten für die Erforschung komplexer Quantensysteme und die Entwicklung skalierbarer Plattformen für zukünftige Innovationen eröffnet. Dieser Durchbruch beim Design von Arrays aus gekoppelten Hohlräumen ist ein wichtiger Schritt hin zu kompakteren, effizienteren und zuverlässigeren Quantengeräten.
