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Eine Plattform für eine Reihe von 36 mechanischen Resonatorgeräten. In einem der Abschnitte dieses Arrays wird ein Nanoresonator hergestellt und elektrisch angeschlossen. Die gesamten Stücke werden dann für die Messungen in den Kryostat gelegt. Bildnachweis: ICFO
Die Verarbeitung von Quanteninformationen (QI) hat das Potenzial, die Technologie zu revolutionieren und bietet beispiellose Rechenleistung, Sicherheit und Erkennungsempfindlichkeit.
Qubits, die grundlegenden Hardwareeinheiten für Quanteninformation, dienen als Grundstein für Quantencomputer und die Verarbeitung von Quanteninformation. Es gibt jedoch weiterhin erhebliche Diskussionen darüber, welche Arten von Qubits tatsächlich die besten sind.
Forschung und Entwicklung in diesem Bereich nehmen erstaunlich schnell zu, um zu sehen, welches System oder welche Plattform das andere übertrifft. Um nur einige zu nennen: So unterschiedliche Plattformen wie supraleitende Josephson-Kontakte, eingefangene Ionen, topologische Qubits, ultrakalte neutrale Atome oder sogar Diamant-Leerstellen bilden den Zoo der Möglichkeiten zur Herstellung von Qubits.
Bisher haben nur eine Handvoll Qubit-Plattformen gezeigt, dass sie das Potenzial dazu haben Quanten-ComputingDies markiert die Checkliste für hochpräzise kontrollierte Tore, eine einfache Qubit-Qubit-Kopplung und eine gute Isolierung von der Umgebung, was eine ausreichend langlebige Kohärenz bedeutet.
Nanomechanische Resonatoren könnten Teil der wenigen Plattformen sein. Es handelt sich um Oszillatoren, ähnlich wie Federn und Saiten (z. B. Gitarren), die beim Antrieb je nach Stärke des Antriebs harmonische oder anharmonische Klänge erzeugen. Aber was passiert, wenn wir einen Nanoresonator auf eine Temperatur abkühlen? Absoluter Nullpunkt Temperatur?
Von links nach rechts: ICFO Prof. und Gruppenleiter Adrian Bachtold, Christoffer Moller, Chandan Samanta, Sergio Lucio de Bonis und Roger Tormo-Queralt in einem der Labore der Gruppe am ICFO. Bildnachweis: ICFO
Die Energieniveaus des Oszillators werden quantisiert und der Resonator vibriert mit seiner charakteristischen Nullpunktbewegung. Die Nullpunktbewegung ergibt sich aus der Heisenbergschen Unschärferelation. Mit anderen Worten: Ein Resonator behält seine Bewegung bei, selbst wenn er sich im Grundzustand befindet. Die Realisierung eines mechanischen Qubits ist möglich, wenn die quantisierten Energieniveaus eines Resonators nicht gleichmäßig verteilt sind.
Die Herausforderung besteht darin, die nichtlinearen Effekte im Quantenbereich groß genug zu halten, wo die Nullpunktverschiebung des Oszillators winzig ist. Wenn dies gelingt, kann das System als Qubit verwendet werden, indem es zwischen den beiden niedrigsten Quantenniveaus manipuliert wird, ohne es in höhere Energiezustände zu treiben.
Seit vielen Jahren besteht großes Interesse daran, ein Qubit-System mit einem mechanischen Nanoresonator zu realisieren. Im Jahr 2021 haben Fabio Pistolesi (Univ. Bordeaux-CNRS), Andrew N. Cleland (Univ. Chicago) und ICFO Prof. Adrian Bachtold entwickelte ein solides theoretisches Konzept eines mechanischen Qubits, das auf einem Nanoröhrenresonator basiert, der unter einem ultrastarken Kopplungssystem an einen Doppelquantenpunkt gekoppelt ist.
Diese theoretischen Ergebnisse bewiesen, dass diese nanomechanischen Resonatoren tatsächlich ideale Kandidaten für Qubits werden könnten. Warum? Denn sie wiesen nachweislich lange Kohärenzzeiten auf, ein absolutes „Muss“ für Quantencomputing.
Unter Berücksichtigung der Tatsache, dass es einen theoretischen Rahmen gab, mit dem man arbeiten konnte, bestand die Herausforderung nun darin, tatsächlich ein Qubit aus einem mechanischen Resonator zu machen und die geeigneten Bedingungen und Parameter zu finden, um die Nichtlinearitäten im System zu kontrollieren.
Nach mehreren Jahren endloser Arbeit an diesen Systemen haben die Herausforderungen, die sich bei der experimentellen Umsetzung ergeben, zum ersten Mal sehr willkommenes grünes Licht gegeben. In einer aktuellen Studie veröffentlicht in Naturphysik, ICFO-Forscher Chandan Samanta, Sergio Lucio de Bonis, Christoffer Moller, Roger Tormo-Queralt, W. Yang, Carles Urgell, unter der Leitung von ICFO Prof. Adrian Bachtold, in Zusammenarbeit mit den Forschern B. Stamenic und B. Thibeault von der University of California Santa Barbara, Y. Jin von der Université Paris-Saclay-CNRS, DA Czaplewski vom Argonne National Laboratory und F. Pistolesi von der Univ. Bordeaux-CNRS erzielte die ersten vorexperimentellen Schritte für die zukünftige Realisierung eines mechanischen Qubits, indem es einen neuen Mechanismus demonstrierte, der die Anharmonizität eines mechanischen Oszillators in seinem Quantenregime steigert.
Eine Plattform für eine Reihe von 36 mechanischen Resonatorgeräten. Bildnachweis: ICFO
Das Experiment: Technische Anharmonizität nahe dem Grundzustand
Das Forscherteam stellte ein schwebendes Nanoröhrengerät mit einer Länge von etwa 1,4 Mikrometern her, dessen Enden an den Kanten zweier Elektroden befestigt waren. Sie definierten einen Quantenpunkt, ein zweistufiges elektronisches System auf der vibrierenden Nanoröhre, indem sie elektrostatisch Tunnelübergänge an beiden Enden der schwebenden Nanoröhre erzeugten.
Durch Anpassen der Spannung an der Gate-Elektrode ermöglichten sie dann den Fluss von jeweils nur einem Elektron auf die Nanoröhre. Die mechanische Bewegung der Nanoröhre wurde dann im Einzelelektronen-Tunnelregime an das einzelne Elektron gekoppelt. Diese elektromechanische Kopplung erzeugte eine Anharmonizität des mechanischen Systems.
Anschließend senkten sie die Temperatur auf mK (Milikelvin, nahezu absoluter Nullpunkt) und traten in einen ultrastarken Kopplungsbereich ein, bei dem jedes zusätzliche Elektron auf der Nanoröhre die Gleichgewichtsposition der Nanoröhre von ihrer Nullpunktamplitude weg verschob.
Mit einer Amplitude von nur dem Faktor 13 über der Nullpunktbewegung konnten sie diese nichtlinearen Schwingungen wahrnehmen. Die Ergebnisse sind erstaunlich, denn Schwingungen in anderen Resonatoren, die auf den Quantengrundzustand abgekühlt waren, erwiesen sich nur bei Amplituden, die etwa 106-mal größer als ihre Nullpunktbewegung waren, als nichtlinear.
Dieser neue Mechanismus weist eine bemerkenswerte Physik auf, da entgegen den Erwartungen die Anharmonizität zunimmt, wenn die Schwingungen näher an den Grundzustand abgekühlt werden. Dies ist genau das Gegenteil von dem, was bisher bei allen anderen mechanischen Resonatoren beobachtet wurde.
Erstautor Chandan Samanta betont: „Als Forscher erstmals mit der Untersuchung nanomechanischer Resonatoren begannen, stellte sich immer wieder die Frage, ob es möglich sei, Nichtlinearitäten in Schwingungen im Quantengrundzustand zu erreichen.“ Einige führende Forscher auf diesem Gebiet argumentieren, dass dies aufgrund technologischer Einschränkungen eine Herausforderung wäre, und diese Ansicht ist bis heute das akzeptierte Paradigma geblieben. In diesem Zusammenhang stellt unsere Arbeit einen bedeutenden konzeptionellen Fortschritt dar, da wir zeigen, dass nichtlineare Schwingungen im Quantenregime tatsächlich erreichbar sind. Wir sind zuversichtlich, dass die nichtlinearen Effekte durch die Annäherung an den Quantengrundzustand noch weiter verstärkt werden könnten, aber wir waren durch die Temperatur unseres aktuellen Kryostaten begrenzt. Unsere Arbeit liefert einen Fahrplan für die Erreichung nichtlinearer Schwingungen im Quantenregime.“
Im Gegensatz zu dem, was bisher bei anderen mechanischen Resonatoren beobachtet wurde, hat das Forscherteam eine Methode gefunden, die Anharmonizität eines mechanischen Oszillators in der Nähe seines Quantenregimes zu erhöhen. Die Ergebnisse dieser Studie legen den Grundstein für die zukünftige Entwicklung mechanischer Qubits oder sogar Quantensimulatoren.
Wie Adrian Bachtold bemerkt: „Es ist bemerkenswert, dass wir in ein ultrastarkes Kopplungsregime eingetreten sind und eine starke Anharmonizität im Resonator beobachtet haben.“ Allerdings wird die Dämpfungsrate bei niedrigen Temperaturen aufgrund der Kopplung des Resonators an einen Quantenpunkt groß. In zukünftigen Experimenten, die auf Katzenzustände und mechanische Qubits abzielen, wird es von Vorteil sein, Nanoröhrenschwingungen an einen Doppelquantenpunkt zu koppeln, da dies starke Nichtlinearitäten zusammen mit langlebigen mechanischen Zuständen ermöglicht. Die durch das Elektron im Doppelquantenpunkt entstehende Dämpfung wird bei tiefen Temperaturen exponentiell unterdrückt, so dass eine in Nanoröhren gemessene Dämpfungsrate von 10 Hz bei tiefen Temperaturen erreicht werden sollte.“
Referenz: „Nichtlineare nanomechanische Resonatoren nähern sich dem Quantengrundzustand“ von C. Samanta, SL De Bonis, CB Møller, R. Tormo-Queralt, W. Yang, C. Urgell, B. Stamenic, B. Thibeault, Y. Jin, DA Czaplewski, F. Pistolesi und A. Bachtold, 8. Juni 2023, Naturphysik.
DOI: 10.1038/s41567-023-02065-9`
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