The field of cavity quantum electrodynamics (cavity QED) studies the interaction between light and matter on a fundamental level: a single atom interacts with a single photon. If the atom-photon coupling is larger than any dissipative effects, the system enters the strong-coupling limit. A peculiarity of this regime is the possibility to form coherent superpositions of light and matter excitations - a kind of 'molecule' consisting of an atomic and a photonic contribution. The novel research field of circuit QED extends cavity QED concepts to solid-state based system. Here, a superconducting quantum bit is coupled to an on-chip superconducting one-dimensional waveguide resonator. Owing to the small mode-volume of the resonant cavity, the large dipole moment of the 'artificial atom' and the enormous engineering potential inherent to superconducting quantum circuits, remarkable atom-photon coupling strengths can be realized. This thesis describes the theoretical framework, the development of fabrication techniques and the implementation of experimental characterization techniques for superconducting quantum circuits for circuit QED applications. In particular, we study the interaction between superconducting flux quantum bits and high-quality coplanar waveguide resonators in the strong-coupling limit. Furthermore, we report on the first experimental realization of a circuit QED system operating in the ultrastrong-coupling regime, where the atom-photon coupling rate reaches a considerable fraction of the relevant system frequencies. In these experiments we could observe phenomena that can not be explained within the renowned Jaynes-Cummings model.     «

The field of cavity quantum electrodynamics (cavity QED) studies the interaction between light and matter on a fundamental level: a single atom interacts with a single photon. If the atom-photon coupling is larger than any dissipative effects, the system enters the strong-coupling limit. A peculiarity of this regime is the possibility to form coherent superpositions of light and matter excitations - a kind of 'molecule' consisting of an atomic and a photonic contribution. The novel research fie...     »

Das Forschungsgebiet der Hohlraum-Quantenelektrodynamik (cavity QED) untersucht die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie auf fundamentaler Ebene: ein einzelnes Atom wechselwirkt mit einem einzelnen Photon. Falls die Atom-Photon Kopplung stärker ist als alle anderen dissipativen Effekte, befindet sich das System im sogenannten Regime starker Kopplung. Eine Besonderheit dieses Regimes besteht in der Möglichkeit der Formierung eines kohärenten Superpositionszustands aus Licht- und Materieanregungen - einer Art 'Molekül' bestehend aus einem atomaren und einem photonischen Anteil. Das neuartige Forschungsfeld der Schaltkreis QED weitet Hohlraum QED Konzepte auf festkörperbasierte Systeme aus. Hierbei wird ein supraleitendes Quantenbit mit einem supraleitenden, eindimensionalen Wellenleiterresonator gekoppelt. Aufgrund des kleinen Modenvolumens der resonanten Kavität, des großen Dipolmoments des 'künstlichen Atoms' und der den supraleitenden Schaltkreisen anhaftenden Flexibilität im Herstellungsprozess lassen sich beachtliche Atom-Photon Kopplungsstärken realisieren. Diese Arbeit beschreibt das theoretische Fundament zur Beschreibung supraleitender Schaltkreise sowie die Entwicklung von Fabrikationstechniken und die Implementierung experimenteller Charakterisierungsmethoden in Schaltkreis QED Anwendungen. Von besonderem Interesse ist hierbei die Wechselwirkung zwischen supraleitenden Fluss-Quantenbits und koplanaren Wellenleitern hoher Güte im Regime starker Kopplung. Weiterhin berichten wir über die erste experimentelle Realisierung eines Schaltkreis QED Systems welches im Bereich ultrastarker Kopplung betrieben wird, in dem die Atom-Photon Kopplungsrate einen beachtlichen Anteil der relevanten Systemfrequenzen erreicht. In diesen Experimenten zeigen sich Strukturen, welche nicht innerhalb des renommierten Jaynes-Cummings Models erklärt werden können.     «

Das Forschungsgebiet der Hohlraum-Quantenelektrodynamik (cavity QED) untersucht die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie auf fundamentaler Ebene: ein einzelnes Atom wechselwirkt mit einem einzelnen Photon. Falls die Atom-Photon Kopplung stärker ist als alle anderen dissipativen Effekte, befindet sich das System im sogenannten Regime starker Kopplung. Eine Besonderheit dieses Regimes besteht in der Möglichkeit der Formierung eines kohärenten Superpositionszustands aus Licht- und Materieanreg...     »