Josephson Qubits und der Quantenmessprozess mit einem SET
Prof. Dr. Gerd Schön (Universität Karlsruhe)

Die Entwicklung der Quanteninformationstheorie initiierte eine Suche nach physikalischen Realisierungen der benötigten Bauelemente.
An verschiedenen Systemen wurden einfache Operationen mit wenigen Qubits demonstriert. Nanoelektronische Realisierungen haben die Vorteile, leicht in elektronische Schaltungen integrierbar zu sein, und sie können zu großen Registern skaliert werden.
Elemente, die auf dem Josephson-Kontakten aufbauen, nutzen darüber hinaus die langreichweitige Quantenkohärenz des supraleitenden Zustands aus. Zwei Varianten wurden diskutiert, und erste experimentelle Demonstrationen fanden statt. Die erste nutzt Josephson-Kontakte mit sehr kleiner Kapazität, so dass Ladungseffekte dominieren und zur Kontrolle der Quantensysteme genutzt werden können. Die zweite nutzt die Phase des Josephson-Kontaktes (bzw. den Fluss durch eine Ringstruktur) als Quantenvariable.

Neben den kohärenten Manipulationen muss der Endzustand des Systems in einem Quantenmessprozess ausgelesen werden. Wir haben diesen Prozess untersucht, indem wir die quantenmechanische Zeitentwicklung des Qubits gekoppelt an einen Einzelektronentransistor (SET) analysierten. Dessen dissipativer Tunnelstrom stellt die makroskopische Auslesevariable dar.
Wir finden u.a., dass der Messprozess durch 3 Zeitskalen beschrieben ist.
Der dissipative Tunnelstrom im SET zerstört schnell die phasenkohärente Zeitenwicklung. Es dauert eine längere Zeit, bis die makroskopische Messgröße eine Unterscheidung verschiedener Quantenzustände des Qubits erlaubt. Schließlich auf einer noch längeren Zeitskala zerstört das Messgerät die Information über den ursprünglichen Zustand.