Die Kombination von Licht und Materie auf Quantenebene ist eine fundamentale Grundlage zahlreicher quantentechnologischer Anwendungen. Insbesondere die Kontrolle dieser Wechselwirkungen in supraleitenden Schaltkreisen hat in den vergangenen Jahren rasante Fortschritte erzielt und bildet die Basis für moderne Quantencomputerarchitekturen. Ein Schwerpunkt der Forschung liegt auf der Kopplung zwischen einem künstlichen Atom, also einem Qubit, und einem elektromagnetischen Resonator, der als Licht- oder Photon-Modus fungiert. Dabei wird klassisch zwischen linearer und nichtlinearer Licht-Materie-Kopplung unterschieden, wobei beide Formen essenzielle, jedoch unterschiedliche Rollen übernehmen. Die lineare Kopplung folgt dem bekannten Rabi-Modell, in dem ein Austausch von Anregungen zwischen Atom und Resonator beschrieben wird.
Sie gilt oft als die grundlegendste Wechselwirkung und hat in supraleitenden Quantenbausteinen mit der Erreichung der ultrastrengen Kopplungsstärke bereits bemerkenswerte Erfolge gefeiert. Ultrastarke lineare Kopplungen, definiert als Verhältnis der Kopplungsrate zur Frequenz des Resonators größer als 0,1, ermöglichen viele spannende Phänomene und schnelle Entanglement-Prozesse. Doch genau diese lineare Wechselwirkung limitiert unter anderem die Möglichkeit zu fehlerfreien, quanten-nichtdemolierenden Messungen (QND), da sie nicht mit dem atomaren und photonen-typischen Hamilton-Operator kommutiert. Demgegenüber steht die nichtlineare Licht-Materie-Kopplung, die sich insbesondere durch sogenannte Cross-Kerr-Wechselwirkungen manifestiert. Diese koppeln die Energieanteile der Licht- und Materie-Modi, also die Photonenzahl und die Zustandsprojektion des Qubits, zueinander.
Ein entscheidender Vorteil ist, dass diese Kopplung mit den atomaren und photonenbezogenen Hamiltonian-Teilen kommutiert, wodurch QND-Messungen möglich werden und unerwünschte Dekohärenzprozesse wie Purcell-Verfall reduziert werden können. Die Stärke dieses nichtlinearen Effekts wird durch den Parameter χ charakterisiert. Während in herkömmlichen Systemen dieser Wert meist verschwindend gering im Vergleich zur Frequenz des Resonators bleibt, wurde mit der Einführung eines neuartigen Quarton-Kopplers bedeutende Fortschritte erzielt. Der Quarton-Koppler stellt eine innovative Schaltung in supraleitenden Systemen dar, die gezielt nichtlineare Kopplungselemente fördert und gleichzeitig die Selbstnonlinearität der einzelnen Modi reduziert. Dies gelingt durch konstruktiven Einsatz von Josephson-Junction-basierten Elementen in einer gradiometrischen Anordnung.
Die besondere Anordnung erlaubt die weitgehende Aufhebung der Selbst-Kerr-Anharmonizität (K), die üblicherweise Resonatoren oder Qubits charakterisiert. Dadurch wird ein Transmon-Qu-bit in ein nahezu lineares Resonator-ähnliches System umgewandelt, während das benachbarte Element weiterhin starke Nichtlinearität bewahrt. Diese Linearisierung ist wichtig, da ein zu starkheit selbst-anharmonischer Modus die Ausnutzung intensiver Cross-Kerr-Kopplungen erschwert. Mit Hilfe dieser Quarton-Bauweise wurden im jüngsten Experiment nahe-ultrastarke nichtlineare Licht-Materie-Kopplungen erreicht, die knapp ein halbes Prozent der Resonatorfrequenz betragen und damit das bisherige Niveau um den Faktor zehn übersteigen. Konkret wurde ein normalisierter nichtlinearer Kopplungsparameter \(\tilde{\eta} = \chi/\max(\omega_a, \omega_b)\) nahe 4,85 × 10^{-2} realisiert, womit erstmals eine nahezu ultrastrenge Kopplung in einem experimentellen Setting demonstriert wurde.
Die gemessene Cross-Kerr-Kopplung lag bei beeindruckenden 366 MHz, bei Resonatorfrequenzen um 6-7 GHz. Dies stellt eine entscheidende Verbesserung gegenüber bisherigen 80 MHz dar, die zumeist aus dispersiver Linear-Kopplung in ungünstigen Regimen resultierten. Die experimentellen Messungen wurden mittels zweitoniger Spektroskopie durchgeführt. Dabei zeigte sich, dass sich die Selbst-Kerr-Anharmonizität eines der Transmons erfolgreich auf nahezu null reduzieren ließ, während die Cross-Kerr-Kopplung stark erhalten blieb. Besonders spannend war die Beobachtung von photonenzahlabhängigen Frequenzaufspaltungen („photon-number splitting“) bei beiden Transmons, ein eindeutiges Indiz für stark koronierte nichtlineare Wechselwirkungen.
Diese Beobachtungen waren auch konsistent mit erweiterten theoretischen Modellen, die neben der Cross-Kerr-Wechselwirkung auch höhere Ordnungen von Kopplungen und korrelierte Photon-Austauschprozesse berücksichtigten. Über die Licht-Materie-Kopplung hinaus wurden mittels dieser Technologie auch die Bereiche der Licht-Licht- und Materie-Materie-Kopplung neu erschlossen. Durch gezielte Anpassungen des Quarton-Kopplers und Fluxbias-Punkte konnte eine extrem starke ZZ-Kopplung (matter-matter cross-Kerr) von über 580 MHz zwischen zwei qubitartigen Transmons nachgewiesen werden. Dies ist die derzeit stärkste messbare nichtlineare Kopplung zwischen kohärenten Qubits mit höherer Kohärenz in beliebigen physikalischen Plattformen, abgesehen von speziellen Annealer-Systemen. Die daraus resultierenden sehr kurzen effektiven CZ-Gate-Zeiten im Sub-Nanosekundenbereich zeigen das enorme Potenzial für ultraschnelle Quantenoperationen.
Der Einfluss der starken nichtlinearen Kopplung auf praktische Anwendungen im Quantencomputing ist vielversprechend. Qubit-Auslesungen, die bisher durch langsame dispersive Wechselwirkung limitiert wurden, lassen sich nun um Größenordnungen beschleunigen. Dadurch können Messfehler reduziert, die Gesamtoperationen beschleunigt und Systemskalierbarkeiten verbessert werden. Außerdem kann die Möglichkeit zu Quanten-Nichtdemolitionsmessungen von Photonen oder Qubitzuständen durch die nichtlineare Kopplung neue Wege in der Quantenkommunikation und im Quantenfehlerkorrektur ermöglichen. Die Realisierung dieser Kopplungen ist jedoch nicht nur experimentell herausfordernd, sondern erfordert auch komplexe Kalibrierung und Kontrolle der Fluss-Biases, genaue Herstellung der Josephson-Junction-Parameter sowie Geräuschminderung in den supraleitenden Komponenten.
Dabei konnten die Forscher durch präzise Flux-Kalibrierungsverfahren und gradiometrische Schaltungsdesigns größere Störgrößen eliminieren und die Kohärenzzeiten trotz intensiver Kopplungen auf einem praxisrelevanten Niveau halten. Theoretisch betrachtet erweitern die Experimente das Verständnis der Quantenoptik in dortigen Regimen, wo nichtlineare Wechselwirkungen nicht mehr als Störungen behandelt werden können, sondern dominieren. Die „nahe-ultrastarke“ Region schließt eine Lücke zwischen bisher bekannten schwachen und ultrastrengen Verstärkungen und weist neue physikalische Phänomene auf, die bislang nicht zugänglich waren. Darüber hinaus eröffnet die quarton-basierte Architektur einen neuen Weg für die Anpassung von nichtlinearen Interaktionsstärken unabhängig von der Selbstnonlinearität, eine Eigenschaft, die in vielen anderen Plattformen entweder nicht realisierbar war oder erhebliche Kompromisse erforderte. Zukunftsweisend ist die Aussicht, mit weiterem Designoptimierungen und verbesserter Materialtechnik den Bereich der ultrastrengen und sogar der tief-ultrastrengen nichtlinearen Licht-Materie-Kopplung zu betreten.
