Supraleitende Quantenschaltungen bieten ähnliche Funktionen wie Quantensysteme, welche aus einzelnen Atomen, Ionen und Spins bestehen und mit optischer Strahlung adressiert werden. Der Hauptvorteil ihrer supraleitenden künstlichen Gegenstücke liegt in deren Herstellung als integrierte Schaltkreise mit steuerbaren Eigenschaften, einschließlich der Kopplung an Strahlung und ihrer Energieaufspaltung. Aufgrund der unvermeidbaren Parameterstreuung weichen die experimentell erreichten Werte jedoch normalerweise vom vorgesehenen Zielparameter ab. Daher ist eine zusätzliche Kontrolle während des Experiments wünschenswert. Hier verwenden wir die dynamische Stark-Verschiebung, um die Aufspaltung der Energieniveaus eines supraleitenden Quantenbits (Qubits) durch ein verstimmtes Mikrowellensignal zu steuern.  

Der Vorteil eines solchen Ansatzes liegt in dessen Universalität, was bedeutet, dass jede Art von Quantensystem, das eine Wechselwirkung mit Strahlung aufweist, auf diese Weise kontrolliert werden kann.

Für eine experimentelle Demonstration verwenden wir ein Fluss-Qubit vom Standardtyp. Diese wird durch eine supraleitende Schleife gebildet, welche drei Josephson-Kontakte enthält. Wie im SEM-Bild von 1 gezeigt, koppeln wir das Fluss-Qubit an einen koplanaren Wellenleiterresonator, der als Auslesevorrichtung verwendet wird. Die Energieniveaus des Qubits können durch Standard-Zweitonspektroskopie untersucht werden. Das erste Signal verändert, im Falle der Resonanz mit dem Qubit, dessen Besetzung. Diese Änderung der Besetzung modifiziert wiederum die Eigenfrequenz des gekoppelten Qubit-Resonator-Systems, was durch den zweiten Ton nachgewiesen werden kann. In unserem Experiment wird ein dritter Ton mit einer Frequenz weit über der Eigenfrequenz des Qubits und des Resonators verwendet, um die Aufteilung des Qubit-Energieniveaus zu verändern, wie die experimentellen Ergebnisse in 2 zeigen. 

Mit dem experimentellen Nachweis der Kontrollierbarkeit ist eine Schlüsselfrage für die Verwendung der dynamischen Stark-Verschiebung adressiert, wie stark die zugrunde liegende Vermischung von Qubit-Zuständen zu einer systematischen Änderung der dynamischen Eigenschaften des Qubits, genauer der Relaxation und der Dekohärenz, beiträgt.

 Für eine genaue Beschreibung der Energieniveauverschiebung haben wir einen theoretischen Ansatz entwickelt, der auch diese Modifikationen der dissipativen Dynamik umfasst. Wie wir zeigen konnten, ist der Schlüsselparameter in der theoretischen Modellierung das Verhältnis, wobei die Rabi-Frequenz des Kontrolltons und seine positive und negative Frequenzverstimmung zum Qubit darstellen. Während die Verschiebung der Energieniveaus einer Funktion erster Ordnung von r folgt, ist die Korrektur der dissipativen Dynamik von zweiter Ordnung. Daher schließen wir, dass die dynamische Stark-Verschiebung im Falle einer großen Frequenzverstimmung des Steuersignals im Vergleich zu dessen Stärke für eine zusätzliche Qubit-Steuerung verwendet werden kann, während dabei die restlichen Qubit-Parameter erhalten bleiben.

Literatur:

G. Oelsner, U. Hübner, E. Il’ichev Controlling the energy gap of a tunable two-level system by ac drive, Physical Review B 101, 054511 (2020)