Verwendung von supraleitenden Schaltkreisen für die Speicherung von Quantenbits und dadurch Erschließung des Potentials dieser Schaltkreise
Eine der wesentlichen Herausforderungen bei der Realisierung des Quantenrepeaters ist die Konversion zwischen den photonischen Qubits, die im Telekommunikationsband übertragen werden, und den Qubits eines Zwischenspeichers. Supraleitende (SC) Schaltkreise ermöglichen zur Zeit komplexere Quantenoperationen als andere festkörperbasierte Systeme. Ziel des vorliegenden Vorhabens ist es daher, supraleitende Schaltkreise für die Speicherung von Quantenbits zu verwenden und damit das Potential dieser Schaltkreise für den Quantenrepeater zu erschließen.
Die Übertragung der photonischen Qubits erfolgt in einem ersten Schritt auf den Spin eines Elektrons eines Seltene-Erd (RE-) Ions. Das Elektron fällt danach in einen energetisch tieferen Zustand und emittiert dabei ein Mikrowellenphoton. Dieses kann wiederum in einem geeigneten Resonator ein Qubit in einem supraleitenden System anregen.
Die Teilprojekte des Verbundes befassen sich mit der Realisierung der einzelnen Komponenten des Systems. Es muss ein experimenteller Aufbau entwickelt werden, der es ermöglicht, Mikrowellen- und optische Spektroskopie an einem RE-Spinensemble, das an einen SC-Resonator gekoppelt ist, im Millikelvin-Bereich durchzuführen. Die Kopplung kann nur in supraleitenden Mikrowellenresonatoren mit extrem hoher Güte stattfinden. Die RE-Spinensembles werden durch fokussierte Ionenimplantation von Seltene Erd-Ionen und vor allem Erbium in kristalline Matrizen hergestellt und auf ihre strahlenden Übergänge optimiert. Die Demonstration des umgekehrten Vorgangs, die Übertragung eines Qubits aus dem supraleitenden Schaltkreis auf ein photonisches Qubit, erfolgt dann in einem Anschlussvorhaben.