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Wir untersuchten gekoppelte Systeme bestehend aus einem Halbleiter-Quantenpunktsystem und einem supraleitenden elektromagnetischen Resonator im Mikrowellenbereich. Unser besonderes Augenmerk lag hierbei auf kohärenter Photonenemission (‚Lasing') des Resonators, getrieben durch den elektronischen Transport durch das Quantenpunktsystem, aber auch Mechanismen zur Erzeugung nichtlokaler quantenkohärenter Wechselwirkung zwischen Quantenpunkten, die als Qubits dienen können.
Experimentell beherrschen wir inzwischen sowohl supraleitende Resonatoren mit Qualitätsfaktoren von mehreren Tauschend als auch die daran angepasstes Quantenpunkte. Der experimentelle Aufbau wurde in einem ‚Toploading'-3He-4He-Mischungskryostatsystem realisiert. Gegenwärtig untersuchen wir gekoppelte Systeme.
Theoretisch untersuchten wir ein Doppelquantenpunktsystem, welches kohärent an einen elektromagnetischen Resonator koppelt. Ein Strom durch die Quantenpunkte kann eine Besetzungsinversion ihrer Energieniveaus und – in einem schmalen Resonanzfenster – Lasing im Resonator erzeugen [1]. Der Lasing-Zustand wird durch die mittlere Photonenzahl <n> und den Fano-Faktor F charakterisiert. Der Laserübergang nahe der Resonanz ist charakterisiert durch ein starkes Anwachsen der Photonenzahl und, aufgrund starker Amplitudenfluktuationen, durch einen erhöhten Fano-Faktor. In Resonanz erreicht die Photonenzahl ein Maximum, und der Fano-Faktor nähert sich 1, d. h. das System befindet sich in einem kohärenten Zustand. Im Fall starker Kopplung von Quantenpunkt und Resonator zeigt die Linienbreite des Emissionsspektrums im Bereich des Laserübergangs als Funktion des Verstimmung ein nichtmonotones Verhalten [2].
Der Lasing-Zustand korreliert mit den Transporteigenschaften: Dies ermöglicht es einerseits, ihn mit einer Strommessung zu detektieren. Andererseits kann man mit Hilfe des resultierenden schmalen Strompeaks kleine Unterschiede in den Eigenschaften der Quantenpunkte auflösen, z.B. eine kleine Variation in der Zeeman-Aufspaltung [3,4]. Im Experiment sind Relaxationsprozesse von Bedeutung, die wir theoretisch untersuchten. Wir fanden, dass reine Dekohärenz nicht, wie zunächst erwartet, die Linienbreite des Emissionsspektrum verbreitert sondern diese verringert und so zu einem schärferen spektralen Maximum führt [4].
Wir haben einen Mechanismus vorgeschlagen und untersucht, wie in Doppelquantenpunkten definierte Spin-qubits an einen supraleitenden Mikrowellenresonator gekoppelt werden können [5]. Indem man den Resonator an einen Elektrode koppelt, die das Elektronentunneln zwischen den Quantenpunkten steuert, erreicht man eine starke Wechselwirkung zwischen Spin-qubit und Resonator in der Größenordnung von mehreren zehn Megahertz. Dieser Mechanismus erlaubt es außerdem, das System an einem entarteten Arbeitspunkt zu betreiben, wo Dekohärenzeffekte minimiert sind. Der Resonator kann so als Bus betrachtet werden, der eine Kopplung zwischen Qubits ermöglicht und Operationen wie die schnelle Erzeugung von Qubit-Qubit-Verschränkung und die Implementierung eines „controlled-phase-Gatters“.