Angewandte Supraleitung 2: von supraleitenden Quantenschaltkreisen zu Quantenoptik mit Mikrowellen
Applied Superconductivity 2: from superconducting quantum circuits to microwave quantum optics

Die Anwendung supraleitender Schaltkreise für die Realisierung einer zuküftigen Quantenelektronik hat vor allem im Zusammenhang mit der Entwicklung von Quanteninformationssystemen starkes Interesse geweckt. In diesem Modul wird die Physik supraleitender Quantenschaltkreise diskutiert und gezeigt, wie solche Schaltkreise mit supraleitenden Dünnschicht- und Nanostrukturen realisiert werden können. Es wird ferner vorgestellt, wie diese Schaltkreise für die Erforschung der fundamentalen Licht-Materie-Wechselwirkung, für die Realisierung von festkörperbasierten Quanteninformationverarbeitungsystemen und für die Quantensimulationen verwendet werden können. Schließlich diskutieren wir die Grundlagen des neuen Felds der Quantenkommunikation und Quantensensorik auf der Basis von Quantenmikrowellen. Diese Themen werden zurzeit intensiv in internationalen Verbundprojekten untersucht (z.B. EU Quantum Technology Flagship, Excellenzcluster MCQST, Munich Quantum Valley).

 Hinsichtlich der Anwendung der Supraleitung in der Quantenelektronik werden folgende Themen diskutiert:

• sekundäre Quanteneffekte beim Josephson-Effekt
• supraleitende Schaltkreise: von Resonatoren bis zu Quantenbits
• Quantenelektrodynamik mit Schalkreisen: "Quantenoptik auf einem Chip"
• Quanteninformationsverarbeitung mit supraleitenden Schalkreisen
• propagierende Quantenmikrowellen
• Quantenmikrowellen-Kommunikation und Kryptographie
• Quanten-Illumination und Quantensensorik

Nach der erfolgreichen Teilnahme an dem Modul sind die Studierenden in der Lage:

• sekundäre Quanteneffekte beim Josephson-Effekt zu beschreiben und zu erklären.
• die physikalischen Grundlagen von supraleitenden Quantenschaltkreisen (Resonatoren, Quantenbits, Schaltkreis-QED) zu erklären.
• die wichtigsten Merkmale der Quanteninformationsverarbeitung mit supraleitenden Schaltkreisen aufzulisten.
• die Grundlagen zur Quanteninformationsverarbeitung mit supraleitenden Schaltkreisen und zur Quantenkommunikation mit propagierende Quantenmikrowellen zu benennen.
•  grundlegende Eigenschaften von sich propagierten Quantenmikrowellen zu beschreiben.
• grundlegende Quantenkommunikations- und Sensorprotokolle zu beschreiben.

Keine Vorkenntnisse nötig, die über die Zulassungsvoraussetzungen zum Masterstudium hinausgehen, Vorkenntnisse aus der Vorlesung Angewandte Supraleitung 1 werden dringend empfohlen.

Das Modul besteht aus einer Vorlesung und dazu begleitende Übungen.

In der thematisch strukturierten Vorlesung werden die Lerninhalte präsentiert (Tafelanschrieb, Beamer-Präsentation). Dabei werden insbesondere mit Querverweisen zwischen verschiedenen Themen die universellen Konzepte der Physik aufgezeigt. In wissenschaftlichen Diskussionen werden die Studierenden mit einbezogen, um so ihr analytisch-physikalisches Denkvermögen zu fördern.

In der Übung werden anhand von Problembeispielen und (Rechen-)Aufgaben die Lerninhalte vertieft und eingeübt, sodass die Studierenden das Gelernte selbständig erklären und anwenden können.

Vorlesungsskript, Übungsblätter, ergänzende Literatur, PowerPoint-Folien, Filme, Laborführung, etc.

• Vorlesungsskript und Vorlesungsfolien
• R. Gross & A. Marx, Festkörperphysik, de Gruyter, 3. Auflage (2018)
• Claude Cohen-Tannoudji: Quantum Mechanics, Volume I, Wiley-Interscience (2006)
• M. A. Nielsen, I. L. Chuang, Quantum Computation and Quantum Information, Cambridge University Press (2000)
• D. E. Walls, G. J. Milburn, Quantum Optics 2nd edition, Springer (2008)

Es findet eine mündliche Prüfung von 30 Minuten Dauer statt. Darin wird das Erreichen der im Abschnitt Lernergebnisse dargestellten Kompetenzen mindestens in der dort angegebenen Erkenntnisstufe exemplarisch durch Verständnisfragen und Beispielrechnungen überprüft.

Prüfungsaufgabe könnte beispielsweise sein:

• Diskutieren Sie sekundäre Quanteneffekte in Josephson-Kontakten. Unter welchen Bedingungen spielen diese eine wichtige Rolle?
• Leiten Sie den Hamilton-Operator für einen Josephson-Kontakt her. Was sind die konjugierten Variablen?
• Was verstehen wir unter der nichtlinearen Josephson-Induktivität?
• Wie können wir mit Josephson-Kontakten Quantenbits realisieren?
• Was verstehen wir unter Relaxation und Dephasierung von Quantenbits? Was sind die zugrundeliegenden physikalischen Mechanismen?
• Diskutieren Sie die grundlegenden Eigenschaften von supraleitenden Fluss-, Ladungs- und Phasen-Quantenbits. Wie können wir sie manipulieren und auslesen?
• Diskutieren Sie die grundlegenden Eigenschaften von supraleitenden Mikrowellenresonatoren
• Was verstehen wir unter der supraleitenden Schaltkreis-Quantenelektrodynamik?
• Diskutieren Sie das Jaynes-Cummings-Modell und seinen Gültigkeitsbereich. Was verstehen wir unter schwacher, starker und ultra-starker Kopplung?
• Diskutieren Sie die Eigenschaften von propagierenden Quantenmikrowellen
• Was verstehen wir unter gequetschten Zuständen, wie können wir diese im Mikrowellenbereich herstellen?

Während der Prüfung sind keine Hilfsmittel erlaubt.

Die Teilnahme am Übungsbetrieb wird dringend empfohlen, da die Übungsaufgaben auf die in der Modulprüfung abgefragten Problemstellungen vorbereiten und somit die spezifischen Kompetenzen eingeübt werden.