Vorgestellt: Quantenphysik im Kühlschrank

Die Innsbrucker Quantenphysik erhält Verstärkung durch einen jungen, aufstrebenden Physiker, der eine neue Technologie mit nach Tirol bringt. Gerhard Kirchmair will mit supraleitenden Schaltkreisen quantenphysikalischen Phänomenen nachspüren und sie für die Quanten-Informationsverarbeitung nutzbar machen.
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Bild: Experimentalphysiker Gerhard Kirchmair (Foto: Knabl/IQOQI)

Schon heute werden in Innsbruck unterschiedliche Ansätze für die Erforschung quantenphysikalischer Phänomene eingesetzt. Egal ob ultrakalte Atome und Quantengase oder gefangene Ionen, die Tiroler Forschungsgruppen zählen zu den weltweit führenden auf diesem Gebiet. Mit der Berufung von Gerhard Kirchmair wird dieses Forschungsfeld noch einmal erweitert. Er kommt aus der Schule der Innsbrucker Physik, hat an der Universität Innsbruck studiert und bei Experimentalphysiker Rainer Blatt „sub auspiciis“ promoviert. Als Postdoc forschte er über zwei Jahre an der renommierten Yale University in New Haven, USA. In der Arbeitsgruppe von Rob Schoelkopf lernte er dort jenes Gebiet kennen, welches er nun in Innsbruck neu etablieren will: Quantenforschung mit supraleitenden Schaltkreisen.
„Mit diesen Schaltkreisen können wir künstliche Atome bauen, die für manche Anwendungen sehr ähnlich wie richtige Atome funktionieren“, erklärt Gerhard Kirchmair. „Wir können die Eigenschaften dieser Schaltkreise so gestalten, dass sie sich als Quantenbits (Qubits) einsetzen lassen.“ Genau darin liegt auch das Know-how des Physikers: Während die Technologie der supraleitenden Schaltkreise inzwischen altbewährt ist, stellt das Design der künstlichen Qubits und deren Interaktionen die Forscher vor große Herausforderungen. „Wir wollen mit den supraleitenden Qubits zunächst ähnliche Dinge machen, wie sie die Kollegen mit den anderen Technologien derzeit im Labor ausprobieren“, sagt Kirchmair, „also Quantengatter bauen, Rechenalgorithmen testen und Quantensimulationen durchführen.“

Kühle Kreise

Der Aufbau von Kirchmairs Experiment unterscheidet sich aber grundlegend von dem der anderen Arbeitsgruppen. Bei ihm steht ein Kryostat, ein sehr, sehr kalter Kühlschrank, im Zentrum des Experiments. In ihm werden die supraleitenden Schaltkreise auf wenige Millikelvin über dem absoluten Nullpunkt abgekühlt. „Im Vergleich zu den aufwändigen quantenoptischen Experimenten ist dieser Aufbau vergleichsweise einfach, denn es ist keine weitere Kühlung mit Lasern nötig“, sagt Kirchmair. Mit Supraleitern, die Strom verlustfrei leiten, können zum Beispiel Kondensatoren oder Spulen für Schaltkreise gebaut werden. Für die künstlichen Qubits verwendet Kirchmair eine besondere Form von Spulen, sogenannte ‚Josephson junctions’. Zwei Supraleiter werden dabei durch eine nicht leitende Oxidschicht getrennt und erzeugen so ein nichtlineares Verhalten, das für Quantenexperimente unbedingt notwendig ist. Längerfristig möchte der Experimentalphysiker diese Technologie auch mit anderen Systemen verheiraten. „Wenn wir ein Quanteninternet bauen wollen, brauchen wir Schnittstellen zwischen den supraleitenden Qubits und optischen Photonen, die wir durch Lichtleiter rund um die Welt schicken können“, blickt der gebürtige Tiroler bereits in die Zukunft.

Karrieremodell für die Zukunft

Gerhard Kirchmair hat im März 2013 die auf fünf Jahre befristete Professur für Experimentalphysik angetreten und ist gleichzeitig auch Junior Research Director am Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften. In den Labors des IQOQI baut er auch sein Experiment auf. Gerade erst wurde der Kryostat geliefert, mit den ersten Experimenten will Kirchmair schon Anfang kommenden Jahres beginnen. Ergebnisse muss er spätestens in fünf Jahren nachweisen, denn seine Stelle gründet auf einem von Peter Zoller initiierten Projekt für ein Tenure-Track-ähnliches Verfahren, das jungen Wissenschaftlern bessere Möglichkeiten an den österreichischen Universitäten geben soll. An der Universität Innsbruck und dem IQOQI wurden dazu vor kurzem zwei befristete Professuren für Theoretische Physik sowie für Experimentalphysik geschaffen.