Physikern der Universität Basel ist es erstmals gelungen, zwei Andreev-Qubits über eine makroskopische Distanz kohärent miteinander zu koppeln. Sie erreichten dies mithilfe von Mikrowellen-Photonen, die in einem schmalen supraleitenden Resonator generiert werden. Die Forschenden haben die Ergebnisse der Experimente und begleitende Berechnungen kürzlich in “Nature Physics” veröffentlicht und damit eine Basis für die Nutzung von gekoppelten Andreev-Qubits in der Quantenkommunikation und im Quantencomputing gelegt.

Quantenkommunikation und Quantencomputing basiert auf Quantenbits (Qubits) als kleinster Informationseinheit – vergleichbar mit Bits bei einem klassischen Computer. Für die Realisierung derartiger Qubits werden weltweit zurzeit zahlreiche unterschiedliche Ansätze untersucht. Eine vielversprechende Möglichkeit ist die Nutzung sogenannter Andreev-Paar-Qubits.

Diese Qubits entstehen an Grenzflächen zwischen einem Metall und einem Supraleiter durch einen als Andreev-Reflexion bezeichneten Vorgang. Dabei gelangt ein Elektron aus dem Metall in den Supraleiter und wird dort Teil eines Elektronenpaares (Cooper-Paar) – während ein Loch, das sich wie ein positives Teilchen verhält, ins Metall zurück reflektiert wird. Durch die Wechselwirkung zwischen den Elektronen im Metall und den Cooper-Paaren im Supraleiter entstehen an den Grenzflächen der beiden Materialien sogenannte Andreev-Zustände, die als Basiszustände des Qubits dienen. Sie sind relativ robust gegenüber Störungen von aussen und die Kohärenzeit, während der eine Überlagerung bestehen bleibt, ist vergleichsweise lang. Zudem lassen sie sich recht gut in moderne elektrische Schaltkreise einbauen und steuern – alles Faktoren, die für die Entwicklung zuverlässiger und skalierbarer Quantencomputer von Vorteil sind.

Austausch zwischen drei Quantensystemen
Die Forschenden haben nun erstmals zwei Andreev-Qubits, die sich beide in einem halbleitenden Nanodraht befinden, quantenmechanisch stark miteinander gekoppelt. Die Ergebnisse stimmen dabei sehr gut mit theoretischen Modellen überein.

“Wir haben die beiden Andreev-Qubits auf eine grosse Distanz voneinander an den beiden Enden eines langen supraleitenden Mikrowellenresonators gekoppelt. Dies erlaubt den Austausch von Mikrowellenphotonen zwischen dem Resonator und den Qubits”, erklärt Professor Dr. Christian Schönenberger vom Departement Physik und Swiss Nanoscience Institute der Universität Basel, dessen Team die Experimente durchgeführt hat.

Der Mikrowellenresonator kann dabei auf zwei verschiedene Arten eingesetzt werden. In einem Modus lassen sich die Qubits über den Resonator auslesen. Dabei gewinnen die Forschenden Informationen über ihren Quantenzustand. Der zweite Modus wird genutzt, um die beiden Qubits miteinander zu koppeln. Sie können so miteinander “kommunizieren”, ohne Mikrowellenphotonen zu verlieren. Die beiden Qubits sind dann nicht mehr unabhängig voneinander, sondern teilen einen gemeinsamen neuen Quantenzustand – was für die Entwicklung von Quantenkommunikation und Quantencomputer unerlässlich ist.

“Mit unseren Arbeiten verbinden wir drei Quantensysteme, sodass diese untereinander Photonen austauschen können. Unsere Qubits selbst sind nur je etwa 100 Nanometer gross und wir koppeln sie über eine makroskopische Distanz von 6 Millimetern”, sagt Dr. Andreas Baumgartner, einer der Koautoren des Artikels. “Wir konnten damit zeigen, dass sich Andreev-Paar-Qubits als kompakte und skalierbare Festkörper-Qubits eignen.

Diese Arbeiten wurden im Rahmen des European FET Open Projekts “AndQC” durch Teams der Universitäten Basel, Kopenhagen, Karlsruhe und Yale durchgeführt.