Die Interaktion zwischen Licht und Materie bildet das Fundament zahlreicher moderner Quantentechnologien. Insbesondere in supraleitenden Schaltkreisen, die als eine der führenden Plattformen für Quantencomputer gelten, spielt die Stärke und Art der Kopplung zwischen photonenähnlichen elektromagnetischen Resonatoren und atomaren Quantensystemen eine entscheidende Rolle. Während lineare Licht-Materie-Kopplung bereits intensiv erforscht wurde und in ultrastrong- sowie deep-strong-Kopplungsbereichen agiert, stellt die nichtlineare Kopplung eine bislang stark limitierte, aber äußerst vielversprechende Domäne dar. Das Konzept der nichtlinearen Licht-Materie-Kopplung beschreibt eine Interaktion, bei der nicht einfach elektromagnetische Felder mit atomaren Dipolen linear wechselwirken, sondern höhere Ordnungen des Feldes einbezogen werden. Fundamentale Vorgänge wie der Cross-Kerr-Effekt ermöglichen es beispielsweise, den Zustand eines Qubits oder die Photonenzahl in einem Resonator ohne deren Zerstörung zu messen — sogenannte Quantennondemolition-Messungen (QND).
Diese sind essenziell für effiziente Qubit-Lesungen und vieles mehr. In den meisten bisher realisierten Systemen ist die nichtlineare Kopplung – charakterisiert durch die Größe eines Kopplungsparameters χ – viel schwächer als die lineare Kopplung. Ursächlich dafür ist, dass nichtlineare Effekte naturgemäß höhere Ordnungen von Wechselwirkungen erfordern und daher typischerweise perturbativ klein bleiben. So erreicht man bisher in Standardverfahren wie der dispersiven Kopplung lediglich Werte von χ, die etwa 1 bis 2 Größenordnungen unter der linearen Kopplungsstärke liegen. Die Universalität und praktische Anwendbarkeit werden dadurch maßgeblich eingeschränkt.
Die jüngste Forschung an supraleitenden Schaltkreisen führt nun jedoch eine neue Ära ein: die nahezu ultrastrong nichtlineare Kopplung. Mittels einer innovativen Bauelement-Architektur, dem sogenannten Quarton-Koppler, gelingt es Forschern, den nichtlinearen Kopplungsparameter χ auf Werte zu steigern, die fast an die ultrastrong-Regimes der linearen Kopplung heranreichen. Konkret bedeutet dies eine Normalisierung der nichtlinearen Kopplung χ/ω von etwa 4,85×10−2, also knapp unterhalb der definierten ultrastrong-Schwelle von 10−1. Dieser Wert ist zu vergleichen mit bisherigen Systemen, die üblicherweise bei maximal 6×10−3 liegen. Der Quarton-Koppler basiert auf einem ausgeklügelten Schaltungsdesign, das auf supraleitenden Josephson-Junctions beruht, welche nichtlineare Induktivitäten erzeugen.
Durch ein speziell konstruiertes gradiometrisches Layout wird eine hohe Nichtlinearität und gleichzeitig eine Kompensation der unerwünschten Selbstnonlinearitäten erreicht. Das ermöglicht es, einen der beiden Transmon-Quantenbits effektiv zu linearisieren, sodass er als nahezu idealer Resonator agiert, während das andere Qubit stark nichtlinear bleibt. Die Kopplung zwischen diesen beiden Moden generiert somit eine außerordentlich starke Cross-Kerr-Wechselwirkung. Dieser bemerkenswerte Fortschritt hat weitreichende Konsequenzen. Zum einen können dank der erhöhten χ-Werte Quantenzustände mit höherer Präzision und Geschwindigkeit ausgelesen werden, ohne den Zustand des Systems zu zerstören.
Dies verkürzt die Messzeiten dramatisch und steigert die Fehlerratenresistenz bei Quantenprozessen. Zum anderen erlaubt die große nichtlineare Kopplung die Realisierung stark verbesserter Quantengatter, die für schnelle und fehlerarme Quantenlogikoperationen unverzichtbar sind. Die experimentelle Umsetzung des Quarton-Kopplers und die Charakterisierung der nichtlinearen Kopplung erfordern ausgefeilte Spektroskopie-Techniken. Mittels „two-tone“-Spektroskopie konnten die Forscher die Selbst-Kerr- und Cross-Kerr-Anteile der Quantenbits präzise verifizieren. Besonders interessant ist hierbei die Flux-Tunbarkeit des Systems, bei der durch die Veränderung von Magnetfluss durch die Kopplerschleife die Nichtlinearitäten kontrolliert angepasst werden können.
Dies ermöglicht das gezielte Einstellen des Betriebspunktes, um entweder den nahezu linearen oder den stark nichtlinearen Kopplungsmodus zu realisieren. Ein weiteres Highlight der Arbeit ist die Demonstration der sogenannten photon-number splitting-Signatur, bei der die Präsenz unterschiedlicher Photonenzahlen in einem Resonator die Resonanzfrequenz des gekoppelten Qubits spaltet. Dieses Phänomen ist ein eindeutiges Indiz für starke nichtlineare Kopplung und wurde mit einem χ von circa 366 MHz gemessen – mehr als eine vierfache Steigerung gegenüber dem bisherigen Stand der Technik. Darüber hinaus wurde der starke ZZ-Kopplungswert zwischen zwei kohärenten Qubits von über 580 MHz erreicht. Diese matter-matter nichtlineare Kopplung ist ebenfalls ein Rekordwert und ermöglicht extrem schnelle zweiqubitige Gatteroperationen mit Gate-Zeiten im Nanosekundenbereich.
Die Relevanz dieser Ergebnisse reicht weit über reine Grundlagenforschung hinaus. Die beschriebene nahezu ultrastrong nichtlineare Licht-Materie-Wechselwirkung eröffnet neue Möglichkeiten für die Architektur zukünftiger Quantenrechner, bei denen schnellere und fehlerfreiere Quantenoperationen unverzichtbar sind. Anwendungen in der Quantenkommunikation, Quantensimulation und präzisen Quantenmetrologie profitieren gleichermaßen von Verbesserungen in Kopplungsstärke und Quantenkontrolle. Trotz der herausragenden Erfolge gibt es auch Herausforderungen für künftige Entwicklungen. Die Kohärenzzeiten der eingesetzten Transmon-Qubits waren in den beschriebenen Experimenten noch nicht auf dem höchsten Stand, was aber für viele Anwendungen, etwa ultrakurze Messungen, nicht zwingend ein Limit darstellt.
