Wissenschaft

Volle Kontrolle: Quanten-Metamaterial ermöglicht Überwachung von Photonen

Nicolas Meudt Autor, Hemd & Hoodie

Wissenschaftler haben ein Quanten-Metamaterial entwickelt, das als Kontrollelement in supraleitenden elektrischen Stromkreisen dienen soll. 

Metamaterialien sind Substanzen, deren Eigenschaften nicht so sehr von den Atomen bestimmt werden, aus denen sie bestehen, als vielmehr von deren struktureller Anordnung. Jede der künstlich erzeugten Strukturen ist Hunderte von Nanometern groß und hat eigene Charakteristiken. Da diese verschwinden, sobald Wissenschaftler versuchen, das Material in seine Bestandteile zu zerlegen, werden sie auch „Meta-Atome“ genannt – mit den klassischen Atomen im Periodensystem haben sie nur wenig gemein.

Im Zuge des Aufkommens von Quantencomputern und Qubits, dem Quantenanalog zu klassischen binären Bits, ist schon lange über die Möglichkeit spekuliert worden, Photonen mittels einen Quanten-Metamaterials zu überwachen. Bis vor Kurzem blieb dieses jedoch auf eine theoretische Existenz beschränkt. Nun allerdings ist es einem internationalen Team von Wissenschaftlern gelungen, zunächst die weltweit ersten Zwillings-Qubits und anschließend auf deren Grundlage ein Metamaterial zu erzeugen.

Quanten-Metamaterial leicht manipulierbar

Während ein herkömmliches Qubit lediglich drei Josephson-Kontakte enthält, verfügt ein Zwillings-Qubit über fünf Verbindungen, die symmetrisch zur Zentralachse liegen. „Die Logik hier ist ziemlich einfach“, sagt der Hauptautor der Studie, Kirill Shulga. „Ein komplexeres System mit einer größeren Anzahl von Freiheitsgraden hat eine höhere Anzahl von Faktoren, die seine Eigenschaften beeinflussen können“. Demnach machten sich die Forscher die leichtere Manipulierbarkeit zunutze, um das Quanten-Metamaterial durch eine Veränderung des Zustands der Spiegel-Qubits zwischen zwei Modi hin- und herzuschalten. Im ersten Modus ermöglichte die Kette an Qubits den freien Durchgang elektromagnetischer Strahlung im Mikrowellenbereich, im zweiten hingegen blockierte sie diesen.

Zwillings-Qubit verfügen über fünf Verbindungen, die symmetrisch zur Zentralachse liegen. Dies ermöglicht es, beim Quanten-Metamaterial bestimmte Eigenschaften an- und auszustellen. Bild: NUST MISIS – K. Shulga – (Montage)

„Dank der einzigartigen Eigenschaften des neuen Materials wird es möglich sein, eines der Schlüsselelemente in supraleitenden elektronischen Geräten herzustellen“, sagt Alevtina Chernikova, Rektorin der National University of Science and Technology MISiS. Mit Hilfe eines Magnetfeldes könne das Metamaterial als Kontrollelement in Systemen zur Übertragung von Quantensignalen Verwendung finden, konkretisiert Ilya Besedin, ein an den Versuchen beteiligter Ingenieur. Diese seien ein unverzichtbarer Bestandteil von Schaltkreisen, die derzeit für den Einsatz in Quantencomputern entwickelt werden.

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