Auf dem Weg zu einer nanomechanischen Quantenschalttafel

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Physiker der Universität Regensburg haben die Schwingungen eines Makromoleküls – eines Kohlenstoff-Nanoröhrchens – in einen Mikrowellenhohlraum gekoppelt und so ein neuartiges und stark miniaturisiertes optomechanisches System geschaffen.

Das Team von Dr.

Andreas K.

Hüttel erreichte dies, indem es die Quantisierung der elektrischen Ladung, d.h.

dass sie von einzelnen Elektronen getragen wird, als starken Verstärkermechanismus einsetzt.

Ihre Ergebnisse wurden am 2.

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April in Nature Communications veröffentlicht.

Sie stellen einen wichtigen Schritt dar, um völlig unterschiedliche Quantentechnologien, wie z.B.

Elektronen-Spin-Qubits und supraleitende Qubits, in einem Gerät zu kombinieren.Normalerweise ist es schwierig, die Bewegung eines Makromoleküls wie eines Kohlenstoffnanoröhrchens mit Mikrowellen zu koppeln.

Warum? Weil die elektromagnetischen Wellenlängen, die in Quantencomputern oder Geräten der Hohlraum-Quantenelektrodynamik verwendet werden, die mit GHz-Frequenzen arbeiten, im Millimeterbereich liegen.

Ein typisches Nanoröhren-Bauelement, das sowohl für das Einfangen von Elektronen in bekannten Quantenzuständen als auch als Schwingungsresonator nützlich ist, ist weniger als einen Mikrometer lang, mit Schwingungsamplituden unter einem Nanometer.

Infolge dieser Größeninkongruenz verändert die Bewegung des Nanoröhrchens das elektromagnetische Feld eines Mikrowellenhohlraums nur wenig.

Die von der optomechanischen Standardtheorie vorhergesagte Kopplung ist minimal.Dennoch ist es aus vielen Gründen eine attraktive Idee, eine solche Kopplung zu erreichen und zu steuern, ohne die Nanoröhre auf große Schwingungsamplituden zu treiben.

Ein Nanoröhrchen ist ein ausgezeichneter Saitenresonator, der Energie für eine lange Zeit speichert; seine Schwingung könnte genutzt werden, um Quanteninformation zwischen grundlegend verschiedenen Freiheitsgraden zu übersetzen.

Und sowohl einzelne gefangene Elektronen als auch supraleitende Mikrowellenschaltungen sind heiße Kandidaten für Architekturen zur Quantenberechnung.Das Regensburger Experiment, das als Open-Access-Artikel veröffentlicht wurde, hat gezeigt, dass die Wechselwirkung zwischen den beiden Systemen, Vibration und elektromagnetisches Feld, im Vergleich zu einfachen geometrischen Vorhersagen um den Faktor 10.000 verstärkt werden kann.

Das….

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