Quanten im Takt: Feedback-Kontrolle von Quanten-Oszillationen
„Wir haben ein kontinuierliches, analoges Feedback-Schema entworfen, um Rabi-Oszillationen in einem supraleitenden Quantenbit zu stabilisieren, so dass diese unbegrenzt weiterlaufen“, berichtet Rajamani Vijayaraghavan von der Universität Berkeley. Ein besonderes Problem bei Quantenmessungen liegt darin, dass die Kontrollmessungen den Zustand des Quantenbits stören können. Dies verstärkt den ohnehin vorhandenen Untergrund an Rauschen, den man vermeiden will. Die Forscher bedienten sich zur Zustandsbestimmung deshalb sogenannter schwacher Messungen, bei denen sich im Schnitt weniger als ein Photon an Mikrowellenstrahlung im Resonator befindet. Dieses schwache Messfeld konnten sie über einen Verstärker auslesen und dadurch den Zustand des Quantenbits mit hoher Genauigkeit bestimmen. Über die Feedback-Schleife konnten die Forscher dann das Anregungsfeld so modulieren, dass das Quantenbit wieder in Takt gebracht wird.
Dank dieses Verfahrens konnten die Forscher die Zeit, in der das System in kohärenter Schwingung bleibt, praktisch beliebig ausdehnen. Die Feedback-Kontrolle war zwar nicht perfekt, reichte aber, um das Quantenbit ungefähr im Takt zu halten. Allerdings befand es sich zu ungefähr zehn Prozent der Zeit in einem höheren angeregten Zustand und damit außerhalb der beiden für eine Rabi-Oszillation angestrebten Zustände, d.h. dem Grundzustand und dem ersten angeregten Zustand. Hierdurch erfuhr das Quantenbit einen Energieverlust, der zu leichten Schwankungen führte. Doch im Vergleich zu unkontrollierten Oszillationen, die innerhalb von Mikrosekunden aus dem Takt geraten, ist die nun erzielte dauerhafte Kontrolle ein großer Fortschritt für die Festkörper-Quanteninformationsverarbeitung. Wie Vijayaraghavan berichtet, hoffen die Forscher, ihr Verfahren in Zukunft auch auf verschränkte Quantenbits ausdehnen zu können.