In der vorliegenden Arbeit wird die Entwicklung eines Mikrowellen-SQUID-Multiplexers zur Auslesung metallischer magnetischer Kalorimeter beschrieben. Ein Mikrowellen-SQUID-Multiplexer besteht aus nicht-hysteretischen rf-SQUIDs, die induktiv an supraleitende Resonanzkreise mit eindeutiger Resonanzfrequenz gekoppelt sind. Eine durch ein Detektorsignal verursachte Änderung des magnetischen Flusses in einem der SQUIDs führt zu einer Änderung der effektiven Induktivität des zugehörigen Resonators. Die damit verbundene Änderung der Resonanzfrequenz kann durch eine Messung der Phase oder der Amplitude des Resonators ausgelesen werden. Durch kapazitive Kopplung aller Resonatoren an eine gemeinsame Durchgangsleitung wird eine simultane Anregung und Auslesung aller Resonatoren ermöglicht. Der entwickelte Multiplexer wurde mit Hilfe von Simulationsrechnungen sowie experimentell bestimmten Größen entworfen. Hierzu wurden die erreichbaren Güten sowie relevante Parameter zur Vorhersage der Resonanzfrequenz der Resonatoren durch temperatur- und leistungsabhängige Messungen an koplanaren lambda/4-Resonatoren aus Niob bestimmt. Ferner wurde ein Herstellungsprozess für Josephson-Kontakte entwickelt. Die hohe Qualität der hergestellten Tunnelkontakte konnte durch Messungen von Strom-Spannungs-Kennlinien gezeigt werden. Der Vergleich der gemessenen Eigenschaften des hergestellten Multiplexers mit den Designwerten hat ergeben, dass zukünftig Energiesensitivitäten von epsilon < 100 h erreichbar sind und somit die Anforderungen für die Auslesung hochauflösender Detektoren erfüllt werden können.
In der vorliegenden Arbeit wird die Entwicklung eines Mikrowellen-SQUID-Multiplexers zur Auslesung metallischer magnetischer Kalorimeter beschrieben. Ein Mikrowellen-SQUID-Multiplexer besteht aus nicht-hysteretischen rf-SQUIDs, die induktiv an supraleitende Resonanzkreise mit eindeutiger Resonanzfrequenz gekoppelt sind. Eine durch ein Detektorsignal verursachte Änderung des magnetischen Flusses in einem der SQUIDs führt zu einer Änderung der effektiven Induktivität des zugehörigen Resonators. Die damit verbundene Änderung der Resonanzfrequenz kann durch eine Messung der Phase oder der Amplitude des Resonators ausgelesen werden. Durch kapazitive Kopplung aller Resonatoren an eine gemeinsame Durchgangsleitung wird eine simultane Anregung und Auslesung aller Resonatoren ermöglicht. Der entwickelte Multiplexer wurde mit Hilfe von Simulationsrechnungen sowie experimentell bestimmten Größen entworfen. Hierzu wurden die erreichbaren Güten sowie relevante Parameter zur Vorhersage der Resonanzfrequenz der Resonatoren durch temperatur- und leistungsabhängige Messungen an koplanaren lambda/4-Resonatoren aus Niob bestimmt. Ferner wurde ein Herstellungsprozess für Josephson-Kontakte entwickelt. Die hohe Qualität der hergestellten Tunnelkontakte konnte durch Messungen von Strom-Spannungs-Kennlinien gezeigt werden. Der Vergleich der gemessenen Eigenschaften des hergestellten Multiplexers mit den Designwerten hat ergeben, dass zukünftig Energiesensitivitäten von epsilon < 100 h erreichbar sind und somit die Anforderungen für die Auslesung hochauflösender Detektoren erfüllt werden können.
Der Ansatz, die Bewegung eines AFM-Kantilevers induktiv mit einem SQUID Mikrowellenresonator zu koppeln, ermöglicht starke, in-situ verstellbare optomechanische Kopplung. Mit einem solchen System wurde optomechanisches Kühlen im Ein-Photon-Regime demonstriert. Zudem ließ sich zeigen, dass die intrinsische Kerr-Nichtlinearität des SQUIDs effizienteres Kühlen bei nicht aufgelösten Seitenbändern ermöglicht. Das Auflösen der Seitenbändern, was Kühlen in den Grundzustand sowie Untersuchen makroskopischer Quanteneffekte erlauben würde, war jedoch mit dem Mikrowellenesonator Gütefaktor von etwa 5000 nicht möglich. In dieser Arbeit wurde eine neue Charge frequenzabstimmbarer Niob SQUID Resonatoren mit Gütefaktoren von bis zu 35000 charakterisiert. Zur Bestimmung des SQUID Beteiligungsverhältnis und des magnetischen Abschirmparameters wurde eine Fitroutine für das hysteretische Frequenzabstimmverhalten entwickelt. Durch Fitten von Streuparamtern bei hohen Signalleistungen mit einer implementierten Routine, kann die Kerr-Konstante zuverlässig bestimmt werden. Die erhaltenen Paramter der nominell identischen Resontatoren weisen eine signifikane Streung auf, mit SQUID Beteiligungsverhältnissen zwischen 0.27 % und 1.82 %, Abschirmparametern von 0.15 bis 0.36 sowie Kerr-Konstanten am Sweetspot zwischen 8 Hz und 250 Hz. Trotz der anfänglichen Verbesserung des Gütefaktors führen Mikrowellenverluste, nach dem Montieren eines Kantilevers mit magnetischem Partikel über dem SQUID, dazu, dass in unserem System die Seitenbänder weiterhin nicht aufgelöst werden können. Wir stellen fest, dass ein Großteil dieser Verluste durch den dotierten Silizium-Kantileverchip sowie das magnetische Partikel, welches ein Feld von bis zu 100 mT am Ort des SQUIDs erzeugt, entstehen. Die Präparierung solcher Proben konnte erheblich vereinfacht werden. Eine von L. F. Deeg entwickelte Montagevorrichtung verbesserte sowohl die Ausrichtung als auch die Überlebensrate der Kantilever deutlich und erhöhte die Ausbeute an Proben mit hinreichend optomechanischer Kopplung. In vier von fünf präparierten Proben konnte ein mechanisches Signal gemessen werden. Nach wiederholtem Aufwärmen beobachten wir Veränderungen der mechanischen Eigenschaften des Kantilevers sowie Änderungen am Mikrowellenresonator und diskutieren mögliche Ursachen. Trotz Herausforderungen bei der Thermalisierung der mechanischen Mode nach Verlegen des Kryostaten in ein anderes Labor, konnte optomechanisches Kühlen anhand einer der neuen Proben mit einer Kopplungsstärke von bis zu 0.24(3) kHz demonstriert werden. Zur Isolierung der mechanischen Mode von Vibration wird das Experiment im Kryostaten an einer Feder aufgehängt. Durch die Implementierung eines mechanischen Wärmeschalters und das Verwenden von wärmebehandelten Kupfergeflechten konnte die Thermalisierung des isolierten Systems verbessert und ein schnelleres Abkühlen des Kryostaten ermöglicht werden.
Das Magnetische Mikrobolometer (MMB), ein neuartiger Tieftemperaturdetektor, stellt dank seiner hohen Empfindlichkeit eine vielversprechende Technologie für eine breite Palette von fortschrittlichen Experimenten dar, die Anordnungen kryogener Detektoren verwenden. Aufgrund seines hohen Multiplexfaktors und seiner hohen Sensitivität, die durch die Verwendung von Radiofrequenz-Superconducting Quantum Interference Devices (rf-SQUID) erreicht wird, ist der Mikrowellen-SQUID-Multiplexer (μMUX) das ausgewählte System für die Auslese der MMBs . Gleichzeitig erfordert der μMUX eine Elektronik bei Umgebungstemperatur (RTE), die auf einem Software-defined Radio (SDR)-Schema beruht, was die gleichzeitige Messung des gesamten Detektorarrays ermöglicht und hohe Vielseitigkeit und Flexibilität bietet. Diese Dissertation trägt zur Entwicklung des RTE-Systems zur Auslesung von MMB-Arrays bei und stellt das Design eines Erfassungssystems für 1024 Kanäle eines μMUX mit einer Bandbreite von 4 GHz bis 8 GHz vor. Obwohl die Anforderungen des Systems auf dem Q&U-Bolometer-Interferometer für die Kosmologie (QUBIC) beruhen, dessen wissenschaftliches Ziel die Detektion der Polarisation der Kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung (CMB) ist, ermöglicht die Flexibilität des Systems seine Anpassung an andere Experimente. Diese Anpassungsfähigkeit macht das System zu einem wertvollen Werkzeug für eine Vielzahl wissenschaftlicher Instrumente, die rauscharme Detektorarrays verwenden. Das Hauptziel dieser Forschung ist es, die Modulationssignal-Generierung der Detektoren zu entwerfen und umzusetzen, das Design der Signalstruktur, einschließlich des Niedrigtemperatur-Setups, sowie die erforderlichen Signalverarbeitungsalgorithmen. Darüber hinaus wird die Charakterisierung und Verifizierung dieses Designs für die Anwendung auf MMBs durchgeführt. Als Teil der Systemintegration wird ein Mehrkanal-Demodulator implementiert, um die Signale jedes Detektors zu extrahieren. Der Demodulator wird vollständig in das Erfassungs- und Verarbeitungssystem integriert. Schließlich wird ein vollständiger Prototyp assemblierte, der die RTE und das kryogene Setup umfasst, um 4 Kanäle eines μMUX zu messen. Das Ergebnis dieser Dissertation ist die erste Version eines vollständig integrierten und funktionalen Systems zur Auslesung eines MMB-Arrays.
Koplanare Mikrowellen-Resonatoren aus supraleitenden Dünnfilmen stellen einen zentralen Baustein der Quanten-Elektrodynamik mit integrierten Schaltkreisen dar (engl. circuit quantum electrodynamics, kurz cQED), in der die fundamentale Wechselwirkung von Mikrowellen-Photonen mit künstlichen Atomen aus supraleitenden Bauelementen untersucht wird. Aufgrund der guten Kontrolle, der selektiven Ansteuerung und der Skalierbarkeit supraleitender Quanten-Bits, kurz Qubits, sind diese stark gekoppelten Systeme, bestehend aus supraleitenden Mikrowellen-Resonatoren und supraleitenden Qubits, aussichtsreiche Kandidaten für die Realisierung einer Quanten-Technologie, die geeignet ist, Quanten-Information unter Benutzung höchst effizienter Algorithmen zu verarbeiten und damit ihre klassischen Gegenstücke zu übertreffen. Aufgrund der geringen Kohärenzzeiten supraleitender Qubits von etwa 100 µs ist jedoch die Rechenzeit eines solchen Quantencomputers beschränkt. Um diese Einschränkungen zu überwinden, wurde eine Vielzahl hybrider Quantensysteme vorgeschlagen, die die Vorteile verschiedener Quantensysteme vereinen. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit verschiedenen Aspekten zur Realisierung eines hybriden Quanten-Systems bestehend aus integrierten supraleitenden Schaltkreisen und langlebigen ultrakalten Rubidium Atomwolken in den magnetischen Grundzuständen. Einerseits haben diese kalten Atomwolken in der Nähe eines supraleitenden Resonators Kohärenzzeiten auf der Sekundenskala und fungieren folglich im Rahmen der hybriden Architektur als Quanten-Speicher. Andererseits ermöglicht die starke Kopplung zwischen supraleitenden Qubits und koplanaren Resonatoren schnelle Rechenprozesse, weshalb supraleitende Qubits als Quanten-Prozessoren dienen. Aufgrund des starren Energie-Spektrums von kalten Grundzustands-Atomen in einer Magnetfalle ist ein in der Resonanzfrequenz durchstimmbarer Resonator von enormem Vorteil hinsichtlich des Erzeugens resonanter Wechselwirkung. Deshalb werden im Rahmen der Arbeit mehrere Konzepte entwickelt und diskutiert, die eine solche Durchstimmbarkeit erlauben. Dabei wird zunächst auf zwei Konzepte eingegangen, die für Experimente bei einer Temperatur von etwa 4 K geeignet sind. Das erste Konzept nutzt das nicht-lineare Dielektrikum Strontium-Titanat als Teil eines induktiv gekoppelten Halbwellen-Resonators mit diskretem nicht-linearen Kondensator aus. Im Rahmen der Arbeit wurde ein theoretisches Modell entwickelt, das die Bestimmung der komplexwertigen dielektrischen Funktion von Strontium-Titanat erlaubt, wodurch ein gezielter Einsatz des nicht-linearen Dielektrikums in zukünftigen Proben ermöglicht wird. Die Frequenz konnte dabei, abhängig vom Proben-Design, um 10-50 MHz verstimmt werden, während die Güte-Faktoren mit mehreren 1000 stets relativ groß waren. Der zweite Mechanismus zum Durchstimmen der Resonanzfrequenz war das Ausnutzen der stark temperaturabhängigen kinetischen Induktivität des Supraleiters Niob (kritische Temperatur 9.2 K) für TemperaturenT>4 K. Dabei konnte die Resonanzfrequenz um 100 MHz verändert werden. Aufgrund der einfacheren experimentellen Realisierung wurde das zweite Konzept ausgenutzt, um sowohl die resonante, als auch die nicht-resonante Wechselwirkung zwischen ultrakalten Rubidium Grundzustands-Atomen mit dem Strahlungsfeld eines Resonators zu untersuchen. Für Experimente bei mK-Temperaturen wurde ein Zwei-Chip Ansatz verfolgt, der das Stapeln zweier Substrate mit supraleitenden Dünnfilmen vorsieht. Der untere Chip enthält dabei einen koplanaren Wellenleiter für Mikrowellen, während der obere Chip einen Mikrowellen-Resonator aus einem Interdigitalkondensator und einer Induktivitäts-Schleife enthält. Ein theoretisches Modell wurde zusammen mit Simulationen der relevanten Schaltkreis-Parameter verwendet, um das Verhalten eines Resonators beim Verschieben des Resonator-Chips gegenüber dem unteren Wellenleiter-Chip vorherzusagen. Der Vergleich mit experimentellen Ergebnissen ist exzellent und zeigt eine Durchstimmbarkeit von etwa 25 MHz. In Abgrenzung zu anderen Konzepten der Durchstimmbarkeit führt das Verwenden dieses Konzepts nicht zu einer Reduktion des Güte-Faktors. Im letzten Teil der Arbeit wird die Entwicklung eines Probenhalters vorgestellt, der die Realisierung eines hybriden Quantensystems bei mK-Temperaturen ermöglichen soll. Dieser enthält unter anderem integrierte Bias-T-Chips, die aus Supraleitern bestehen und mit deren Hilfe sowohl Mikrowellen, als auch Gleichströme in die Probe eingespeist werden können, ohne eine signifikante Menge an Wärme zu generieren.
Supraleitende Mikrowellenresonatoren sind ein aktuelles Forschungsgebiet. Supraleitende koplanare Wellenleiter, an die Mikrowellenresonatoren gekoppelt sind, werden als unabdingbar angesehen wenn es darum geht Quantencomputer zu konstruieren. Entsprechend konnten schon Einzelphotonendetektoren konstruiert werden als auch Mikrowellenresonatoren deren Güte Q >10^6 übersteigt. Ähnliche Mikrowellenresonatoren können allerdings auch verwendet werden um die dielektrischen Eigenschaften interessanter Materialien mit hoher Präzessionzu messen. Dies wird auch an der Universität Stuttgart getan, diese Bachelorarbeit reiht sich ein in jene Abfolge der Arbeiten, die der Untersuchung von dielektrischen Eigenschaften interessanter Materialien bei kryogenen Temperaturen dient.Vorangegangene Master-Arbeiten von Lars Wendel und Vincent Engl verwendeten ein Distanz Flip-Chip Aufbau, bei dem das zu untersuchende Material mit einer dünnen Niob-Schicht an der Oberfläche versehen wurde, auf der ein λ/4-Resonator aufgebracht wurde. Das dergestalt präparierte Material, der Flip-Chip, wurde dann mit einem festen Abstand zur Feedline auf die Feedline aufgebracht. Hierbei liegt die Niob-Schicht der Feedline gegenüber und der Kopplungsarm des Resonators liegt direkt oberhalb der Feedline. Bei der Messung der Transmission in Abhängigkeit der Frequenz sind Absorptionsverluste beobachtbar, diese werden durch den induktiv gekoppelten Flip-Chip verursacht und liegen entsprechend beiden ungeraden Vielfachen der Grundmode.Allerdings zeigen sich auch Absorptionsverluste bei weiteren Frequenzen, diese können nicht direkt dem Resonator zugeordnet werden und werden als parasitäre Moden bezeichnet. Ihr Auftreten ist nicht ungewöhnlich und häufig der Fall, da sie Boxmoden darstellen können.Wenn allerdings die Grundmode des Resonators nicht sichtbar ist oder wesentlich schwächer,wie dies beim Flip-Chip schon öfters der Fall war, dann ist die Identifizierung der Moden nicht eindeutig. Die vorliegende Bachelorarbeit greift diese Problematik auf und hat das Ziel die Eigenschaften der parasitären Moden zu charakterisieren und Möglichkeiten zu finden, parasitäre Moden und tatsächliche Resonatormoden zu identifizieren. Dazu wird das Verhalten der parasitären Moden und Resonatormoden auf einem TiO2 Flip-Chip untersucht. Messungen mit dem supraleitenden TiO2 Flip-Chip Mikrowellen-Resonator zeigten die Grundmode sowie ihre ungeraden Vielfachen= 1,3,5,... wie sie erwartet worden sind als auch die parasitären Moden. Die anisotrope Dielektrizitätskonstante von TiO2 konnte dabei berücksichtigt werden, indem die Mäanderform des Resonators in Teilsequenzen mit konstantem ϵ aufgeteilt wurde. Die gemessenen und berechneten Resonanzfrequenzen unterscheiden sich dabei weniger gegenüber dem Fall, wenn für die zu erwartende Resonanzfrequenz das ungerade Vielfache der Grundmode angenommen worden wäre. Die parasitären Moden und Resonatormoden konnten klar getrennt werden indem die Resonanzfrequenz und ihre ungeraden Vielfache betrachtet wurden. Zusätzliche Experimente wurden durchgeführt um die Resonatormoden und parasitären Moden zu trennen. Eine dieser Experimente war die Aufnahme der Temperaturabhängigkeit der Güten Q und der Resonanzfrequenzen f der Resonatormoden und parasitären Moden. Es konnte beobachtet werden, dass die Resonanzfrequenzen der Resonatormoden und parasitären Moden jeweils Bündel formen und zu T_c hin abnehmen. Die Güte Q der parasitären Moden zeigten schwache Effekte zu T_c hin, wohingegen die Güte der Resonatormoden kontinuierlich mit der Temperatur T abnahmen. Zu ähnliche Ergebnisse war man gekommen als die Güte Q und die Resonanzfrequenz f in Abhängigkeit des Magnetfeldes B aufgenommen wurden. Die Resonanzfrequenzen f der Resonatormoden und parasitären Moden formen jeweils Bündel und fallen zu B= 2T ab, der Abfall konnte für B >0,2T beobachtet werden. Im Falle der Resonatormoden fällt die Güte Q für B >0,2T stark ab, noch stärker als sie bei der T-Abhängigkeit beobachtet werden konnte. Dahingegen veränderte sich die Güte Q der parasitären Moden erst zu B= 2T hin. Das unterschiedliche Verhalten der parasitären Moden und Resonatormoden bei der T- und B- Abhängigkeit kann mit der unterschiedlichen Verteilung der Moden auf der supraleitenden Fläche erklärt werden. Parasitäre Moden werden durch den ganzen supraleitenden Film unterstützt, bei dem Verlusteffekte einen vergleichsweise geringere Störung verursachen als bei den Resonatormoden, die empfindlich von dem schmalen Innenleiter des Resonatorsabhängen. Um parasitäre Moden und Resonatormoden zu unterscheiden sind weiterhin ESR Messungen durchgeführt worden. Eine DPPH Probe ist auf zwei Positionen auf dem Resonator aufgebracht worden, bei der unterschiedliche Magnetfelder B der Resonatormode erwartet werden konnten. Durch das Auftragen von DPPH auf zwei unterschiedliche Positionen konnte gezeigt werden, dass die Verlusteffekte des DPPH direkt von der Verteilung des B-Feldes auf dem Resonator abhängen. Die Leistungsabhängigkeit der Güte Q zeigte sowohl für Resonatormoden als auch parasitäre Moden Inharmonizitäten für p >5dBm, diese können mit einem Duffing-Oszillator modelliert werden. Für die Resonatormoden konnten ein Abfall der Güte Q beobachtet werden, wenn die Leistung p einen festgelegten Wert p_nl überschritt. Zusätzlich ist die Temperaturabhängigkeit des Transmissionssignals abseits der Moden gemessen worden. Das Transmissionssignal fällt stark bei der kritischen Temperature T_c von Niob ab. Dafür kann der Verlust der Supraleitung von Niob verantwortlich gemacht werden, die supraleitende Schicht schirmt nämlich die hohe Dielektrizitätskonstante des Flip-chip ab, sobald die Supraleitung nicht mehr vorliegt, kann die hohe Dielektrizitätskonstante die Feedline schwach stören. Dies bewirkt eine schwach veränderte Impedanz der Feedline wodurch die Reflektion zunimmt und die Transmission abnimmt. Diese Ergebnisse können dazu verwendet werden um parasitäre Moden und Resonatormodenbesser zu unterscheiden, auch wenn die Grundmode des Resonators unterdrückt ist. Die ESR-Messmethode kann noch weiter ausgebaut werden um die Verteilung des B-Feldes genauer zu messen. Die Abhängigkeit des Transmissionssignal von der Temperatur abseits der Moden kann dazu verwendet werden um den Abstand des Flip-Chip von der Feedline zu messen, dafür sind aber weitere Messreihen oder Simulationen als Referenz notwendig.
0-κ-Josephsonkontakte sind faszinierende Bauelemente deren experimentelle Realisierung und Untersuchung in den letzten Jahren erst möglich wurde. Diese Arbeit gliedert sich in die Messung des makroskopischen Quantentunnelns der Josephsonphase in einem 0-κ-Kontakt und die Energielevelspektroskopie an solchen Kontakten. Der 0-κ-Josephsonkontakt wird dabei durch einen „gewöhnlichen“ Nb-AlOx-Nb-Kontakt mit einem Strominjektorpaar realisiert. Durch Anlegen eines Injektorstromes lässt sich eine Phasendiskontinuität κ = π einstellen. Dadurch wird das System in einen entarteten Grundzustand gebracht, in dem zwei kritische Ströme Ic± gemessen werden können. Diese beiden kritischen Ströme sind charakteristisch für einen nicht allzu langen 0-κ-Kontakt, dessen räumlich gemittelte Phase zwei Grundzustandswerte ±φ in einem effektiven Doppelmuldenpotenzial annehmen kann. Durch Variieren des Injektorstromes in einem kleinen Bereich um dieses Minimum κ = π ± ε, lässt sich der Abstand der Werte der beiden kritischen Ströme Ic± beliebig einstellen. Für diese beiden kritischen Ströme kann nun der Escapeprozess sowohl im thermischen als auch im quantenmechanischen Regime untersucht werden. Dieser Escapeprozess kann im Bild des Teilchens im gekippten Waschbrettpotenzials beschrieben werden. Das Waschbrettpotenzial wird dabei durch Anlegen eines Biasstromes solange verkippt, bis die Barriere klein genug ist, dass das Teilchen aufgrund thermischer oder quantenmechanischer Fluktuationen über oder durch die Barriere entkommen kann. Die dafür benötigte Energie wird im Falle eines thermischen Escapeprozesses als Aktivierungsenergie bezeichnet und kann mittels Messung der Schaltwahrscheinlichkeit des Kontaktes statistisch bestimmt und mit theoretischen Modellen in verschiedenen Dämpfungsregimes beschrieben werden. Weiterhin wurden Messungen der Temperaturabhängigkeit der Aktivierungsenergie durchgeführt. Unterhalb der Crossover-Temperatur T* vom thermischen ins quantenmechanische Regime, bei diesen Kontakten ist T* ≈ 175mK, wird der Escapeprozess vom makroskopischen Quantentunneln dominiert. Dies spiegelt sich in einer Sättigung der Verteilungsbreite der Schaltstatistikhistogramme wieder und ist ein erster Hinweis auf das Erreichen des quantenmechanischen Regimes. Es wurden weitere Messungen zur Abhängigkeit der Verteilungsbreite vom angelegten Injektorstrom durchgeführt und somit weitere Belege für das makroskopische Quantentunneln gesammelt. Jedoch konnten diese Messungen noch nicht mit den derzeit vorliegenden, theoretischen Vorhersagen in Einklang gebracht werden. Neben den Messungen zum makroskopischen Quantentunneln wurden Spektroskopiemessungen der Energieniveaus, die sich innerhalb der Potenzialmulde ausbilden, durchgeführt. Zunächst wurde die Plasmafrequenz der untersuchten Kontakte experimentell bestimmt und nach parasitären Resonanzen gesucht. Anschließend wurden die Messungen zur Energielevelspektroskopie durchgeführt. In diesen Messungen traten interessante Strukturen auf, die Hinweise für die Anregung der Phase in höhere Energieniveaus innerhalb des Potenzialminimums sind. Da die auftretenden Strukturen weder mit klassischen Simulationen, noch mit dem Auftreten von Störresonanzen erklärbar sind, deutet vieles darauf hin, dass der Escape der Josephsonphase aus dem Grundzustand und höheren, angeregten Zuständen mittels spektroskopischen Untersuchungen nachgewiesen wurde. Deshalb ist ein Vergleich mit quantenmechanischen Simulationen nötig, welcher bisher, aufgrund der fehlenden quantenmechanischen Berechnungen, noch nicht durchgeführt werden konnte. Die in dieser Arbeit vorgestellten Experimente geben erste, klare Hinweise auf das quantenmechanische Verhalten von 0-κ-Josephsonkontakten, konnten jedoch bisher noch nicht mit den theoretischen Modellen zufriedenstellend beschrieben werden. Diese Arbeit konnte dennoch eine Grundlage für weitere Untersuchungen des quantenmechanischen Verhaltens von 0-κ-Josephsonkontakten schaffen.
Die Fähigkeit, schnelle Änderungen des magnetischen Flusses anzuwenden, um die Energieniveaus von supraleitenden Qubits oder variablen Kopplern zu justieren, ist eine Voraussetzung für skalierbare Quantenverarbeitung. In der Schaltkreis-Quantenelektrodynamik (cQED) wird diese Abstimmbarkeit durch supraleitende Quanteninterferenzgeräte (SQUIDs) erzielt. Diese cQED-Systeme sind in einem supraleitenden Hohlraum eingeschlossen, in dem der Meißner-Effekt das Eindringen magnetischer Felder verhindert. Dies stellt jedoch eine Herausforderung dar, da wir einen leicht steuerbaren magnetischen Fluss benötigen, um das SQUID zu durchdringen. Wir begegnen dieser Herausforderung mit einem supraleitenden Flussschlauch, der magnetische Felder mittels Supraströmen transportiert. In dieser Arbeit zeigen wir, wie wir die Idee des Flussschlauchs weiterentwickelt haben, um das Feld effizient zu transportieren und gleichzeitig die inhärenten Verluste über den lambda viertel Resonator, den der Flussschlauch einführt, zu minimieren. Unser Ansatz reduziert dielektrische, leitungs- und strahlungsbedingte Verluste erheblich, indem die flusserzeugende Spule strategisch in einem feldfreien Bereich positioniert wird. Dadurch verbessert sich die Abstimmbarkeit um eine Größenordnung im Vergleich zu unserem früheren Design und die fundamentale Mode weist einen hohen internen Qualitätsfaktor (Q_(INT) >> 4 x 10⁴) auf. Somit eignet diese sich für dispersives Auslesen. Dies haben wir in einer Messung nachgewiesen. Das Konzept wurde durch kapazitive Kopplung des Flussschlauchs an einen flussabstimmbaren Resonator bestätigt. Das Gerät bietet sowohl Flusskontrolle als auch Auslesen auf kleinem Raum und eröffnet einen neuen Weg zur Skalierbarkeit von Prozessoren.