Laser sind allgegenwärtig: an der Kasse im Supermarkt, im CD/DVD-Player im Wohnzimmer, in Werkzeugen und Beleuchtungsgeräten – und Wissenschaftler, die sich mit Quanten beschäftigen, haben ihn nötig, um qubits in den zukünftigen Quantencomputern zu steuern. In den meisten genannten Anwendungen sind die modernen großen Laser zwar effektiv, aber wenig effizient. Bei Quantencomputern allerdings müssen Laser sehr klein sein und bei extrem niedrigen Temperaturen arbeiten. Wissenschaftler versuchen schon sein 40 Jahren, genaue und effiziente Mikrowellenlaser zu entwickeln, die ultrakalte und fragile Quantenexperimente nicht stören.
Ein Team von Wissenschaftlern an der TU Delft hat nun einen On-chip-Laser entwickelt, der auf dem Josephson-Effekt beruht. Dieser neue Mikrowellenlaser öffnet eine Tür zu Anwendungen, bei denen die Erzeugung von Mikrowellenstrahlung mit minimalen Verlusten essentiell ist. Eine wichtige dieser Anwendungen ist zum Beispiel die Steuerung von qubits in einem skalierbaren Quantencomputer.

Laser emittieren eng gebündeltes, kohärentes und monochromes Licht. Ein typischer konventioneller Laser besteht aus einer Vielzahl von Emittern (Atomen, Molekülen oder Ladungsträgern in Halbleitern) in einem optischen Resonator. Solche Laser sind allerdings durchweg ineffizient und erzeugen viel Abwärme, was natürlich in Anwendungen im Niedrigsttemperaturbereich wie in der Quantentechnik üblich wenig förderlich ist.
 
Die Wissenschaftler an der TU Delft haben einen einzelnen Josephson-Kontakt in einem äußerst kleinen supraleitenden Resonator untergebracht. Der Josephson-Kontakt verhält sich darin wie ein einzelnes Atom, der Mikroresonator wie ein Paar Spiegel für Mikrowellen: Das Resultat ist ein Mikrowellenlaser auf einem Chip. Kühlt man diesen Chip etwas ab (und zwar auf weniger als 1 K), entsteht ein kohärenter Mikrowellenstrahl am Ausgang des Resonators. Der On-chip-Laser arbeitet äußerst effizient, er benötigt zur Erzeugung dieser Laserstrahlung weniger als ein Picowatt!

Der Forschungsbeitrag kann hier im Original eingesehen werden.