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Abstrakt

Anwendungen supraleitender Elektronik in der Quantenoptik und Quantenmetrologie

Ling Hao

SQUIDs (supraleitende Quanteninterferenzgeräte) sind seit mehr als einem halben Jahrhundert im Einsatz und stellen eines der ersten makroskopischen Quantengeräte dar. SQUIDs, die bei Millikelvin-Temperaturen betrieben werden, können als Qubits für Quantencomputer fungieren, und die jüngsten Berichte über mehr als 50 Qubit-Schaltkreise zeigen, wie weit die Technologie entwickelt ist. In diesem Vortrag wird der Autor zwei weitere Anwendungen von SQUIDs als Quantendetektoren beschreiben, wobei er sich auf die energieauflösende Detektion einzelner Spins und einzelner Photonen konzentriert. Die meisten supraleitenden Geräte basieren auf dreischichtigen Josephson-Tunnelkontakten, die nicht leicht auf den Nanomaßstab skalierbar sind. Wir haben ein Herstellungsverfahren für Josephson-Kontakte entwickelt, das auf Elektronenstrahllithografie oder fokussiertem Ionenstrahlätzen eines einzelnen dünnen Supraleiterfilms (im Allgemeinen Nb) basiert und Größen bis zu 50 nm erreichen kann. Diese Geräte sind besonders relevant für zwei Hauptanwendungen in der Quantentechnologie und der Messtechnik. Erstens wird durch die Verkleinerung der SQUID-Schleife und der Übergänge auf etwa 200 nm die Empfindlichkeit des SQUID für Magnetisierungsmessungen so weit verbessert, dass ein einzelner Elektronenspinwechsel erkannt werden kann. Dies ist bei der relativ hohen Temperatur von 4 K möglich. 

Wir arbeiten mit der Surrey University zusammen, um einzelne magnetische Ionen in die SQUID-Schleife zu implantieren und so eine Plattform zum Testen dieser Kombination als Grundlage für eine neue Form von Qubits bereitzustellen, die bei höheren Temperaturen als die herkömmlichen supraleitenden Transmon-Geräte arbeiten. Ein zweiter SQUID-basierter Detektor, den wir entwickeln, ist ein induktives Übergangskantensensorgerät (ISTED) für energieauflösende Messungen einzelner Photonen. Dies basiert auf der Entwicklung herkömmlicher Übergangskantensensoren, bei denen wir die Änderung der Eindringtiefe eines kleinen dünnen Supraleiterfilms erfassen, wenn dieser ein Photon absorbiert. Auf diese Weise kann eine Hauptrauschquelle in herkömmlichen TES vermieden werden, da der Absorber jederzeit im supraleitenden Zustand bleibt. Auf diese Weise haben wir die Einzelphotonenerkennung bei 633 nm mit einer Auflösung von 0,1 eV bei einer Betriebstemperatur von 7,5 K demonstriert.