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Quantenschaltungen

Wissenschaftliches Profil

Die Arbeitsgruppe Quantenschaltungen erforscht physikalische Grundprinzipien sowie mögliche Anwendungen von Dünnschicht-basierten Schaltkreisen bei tiefen Temperaturen. Speziell werden mit ihnen verbundene Quanteneffekte und Licht-Materie-Wechselwirkungen ausgenutzt, um einzigartige Funktionalitäten zu erzielen und Methoden untersucht, diese mit anderen Quantensystemen in hybriden Strukturen vorteilhaft zu kombinieren. Diese Arbeiten sind eng mit dem Einsatz innovativer Mikro- und Nanotechnologien des KMNT sowie der Verwendung neuartiger Materialien verknüpft. Die Arbeitsgruppe bündelt Kompetenzen ausgehend von der theoretischen Ausarbeitung fundamentaler Wirkprinzipien über Simulationen und den Entwurf der Schaltung bis zum experimentellen Nachweis und der Integration in komplexe Messsysteme.

Ein Schwerpunkt liegt in der Erforschung der Dynamiken von Quantensystemen, um sie für Anwendungen nutzbar zu machen. Die Verwendung von chip-basierten Quantensystemen, basierend auf Bausteinen wie supraleitenden Quantenbits (Qubits), Resonatoren, Strahlführungselementen und nicht-linearen Komponenten, z.B. Josephson-Kontakten und supraleitenden Quanteninterferenzdetektoren (SQUIDs), ermöglicht dabei eine hohe Kontrollier- und Skalierbarkeit. Der ganzheitliche Ansatz beinhaltet die Entwicklung von Kontroll- und Auslese- und Multiplexschaltungen und –verfahren sowie entsprechender Messumgebungen, um den Anwendernutzen zu gewährleisten.

Anwendungsorientiert werden im zweiten Schwerpunkt höchstempfindliche supraleitende Strahlungsdetektoren erforscht. Die Palette umfasst die ultrasensitive Detektion von einzelnen Mikrowellenphotonen, Arrays von großflächigen Josephson-Kontakten (STJs) als XUV-Strahlungsdetektoren sowie Kantenbolometer für sicherheitstechnische und astronomische Anwendungen.

Elektronenmikroskopische Aufnahme (links) der experimentellen Realisierung des CQUIDS aus einem NbN-Nanodraht und schematische Darstellung des CQUIDs (rechts)
Eingefärbte rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines einzelnen Josephson Kontaktes, der das aktive Element eines Mikrowellen-Einzelphotonendetektors bildet.
Mikrofabrizierter Chip, mit einem hochempfindlichen Mikrowellendetektor auf dem Probenhalter

Forschungsthemen

Zentrale Forschungsthemen ergeben sich aus den Anwendungsszenarien, in denen die Ausnutzung von Quanteneffekten in festkörperbasierten Schaltungen neue oder verbesserte Funktionalitäten bietet. Dazu zählen:

  • Untersuchung grundlegender Phänomene an Festkörperquantensystemen und hybriden Anordnungen,
  • Entwurf, Skalierung, Kopplung, Charakterisierung und Parameteroptimierungen von supraleitenden Quantenbits (Qubits) und Quantenmetamaterialien,
  • Quantensensoren und höchstempfindliche supraleitende Strahlungsdetektoren wie z.B. Arrays von Josephson-Kontakten,
  • Einzelphotonenquellen und –detektoren sowie quantenlimitierte Verstärker im Mikrowellenbereich,
  • Neue Materialien, z.B. ultradünnes NbN.

Anwendungsbereiche

  • Sensorik, z.B. Mikrowellen-Einzelphotonendetektoren sowie Verstärker für die Axionensuche und hochauflösende XUV-Detektoren,
  • Quantencomputing, -simulation und on-Chip–Kommunikation,
  • Enabling-Technologien wie Auslese- und Kontrollschaltungen, z.B. Mikrowellen­multiplexer, SQUID- und parametrische Verstärker,
  • höchstempfindliche elektrische und magnetische Messtechnik für wissenschaftliche Instrumente, z.B. zur Strahlintensitätsmessung für Beschleunigeranlagen.
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