Resonators for hybrid superconductor-atom spin systems

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

SwarmRail: A Novel Overhead Robot System for Indoor Transport and Mobile Manipulation

Swarmrail represents a novel solution to overhead manipulation from a mobile unit that drives in an aboveground rail-structure. The concept is based on the combination of omnidirectional mobile platform and L-shaped rail profiles that form a through-going central gap. This gap makes possible mounting a robotic manipulator arm overhead at the underside of the mobile platform. Compared to existing solutions, Swarmrail enables continuous overhead manipulation while traversing rail crossings. It also can be operated in a robot swarm, as it allows for concurrent operation of a group of mobile Swarmrail units inside a single rail network. Experiments on a first functional demonstrator confirm the functional capability of the concept. Potential fields of applications reach from industry over logistics to vertical farming

Quantitative susceptibility mapping differentiates between blood depositions and calcifications in patients with glioblastoma.

OBJECTIVES: The application of susceptibility weighted imaging (SWI) in brain tumor imaging is mainly used to assess tumor-related "susceptibility based signals" (SBS). The origin of SBS in glioblastoma is still unknown, potentially representing calcifications or blood depositions. Reliable differentiation between both entities may be important to evaluate treatment response and to identify glioblastoma with oligodendroglial components that are supposed to present calcifications. Since calcifications and blood deposits are difficult to differentiate using conventional MRI, we investigated whether a new post-processing approach, quantitative susceptibility mapping (QSM), is able to distinguish between both entities reliably. MATERIALS AND METHODS: SWI, FLAIR, and T1-w images were acquired from 46 patients with glioblastoma (14 newly diagnosed, 24 treated with radiochemotherapy, 8 treated with radiochemotherapy and additional anti-angiogenic medication). Susceptibility maps were calculated from SWI data. All glioblastoma were evaluated for the appearance of hypointense or hyperintense correlates of SBS on the susceptibility maps. RESULTS: 43 of 46 glioblastoma presented only hyperintense intratumoral SBS on susceptibility maps, indicating blood deposits. Additional hypointense correlates of tumor-related SBS on susceptibility maps, indicating calcification, were identified in 2 patients being treated with radiochemotherapy and in one patient being treated with additional anti-angiogenic medication. Histopathologic reports revealed an oligodendroglial component in one patient that presented calcifications on susceptibility maps. CONCLUSIONS: QSM provides a quantitative, local MRI contrast, which reliably differentiates between blood deposits and calcifications. Thus, quantitative susceptibility mapping appears promising to identify rare variants of glioblastoma with oligodendroglial components non-invasively and may allow monitoring the role of calcification in the context of different therapy regimes

Imaging results of a 67-year-old female patient with a multilocular glioblastoma before radiochemotherapy.

<p>The contrast-enhanced T1-w image reveals the typical ring-enhancement (a), whereas the susceptibility weighted image shows intratumoral SBS in the temporal lesion and in the right part of the corpus callosum (c). Corresponding SBS on the susceptibility map (d) are hyperintense, indicating blood products as the biophysical source of the intratumoral SBS. The contrast-enhanced CT image (b), displaying a comparable section, proves these findings because no calcifications can be identified as possible sources of the tumor-related SBS. A single slice of the high-resolution 7 T GRE magnitude data and the corresponding susceptibility map are displayed in (e) and (f), respectively. Since the 7 T data were acquired 10 days after the routine MRI, biopsy of the right temporal lesion had been performed in the meantime.</p

Images of a 49 year-old man with a glioblastoma with an oligodendroglial component after radiochemotherapy.

<p>The contrast-enhanced T1-w and FLAIR images are presented in (a) and (b), respectively. SBS, indicated by the arrow and arrow head, are discernable on the SW image (c). The corresponding susceptibility map in (d) clearly suggests that these SBS are likely produced by calcium deposits (arrow) and blood products (arrow head).</p

Images of two patients who were treated with bevacizumab after completion of radiochemotherapy.

<p>Images of a 42 year old man with a glioblastoma in the right occipital lobe (patient B1), who was treated with 12 cycles of bevacizumab after completion of radiochemotherapy are presented in the upper part (a–e). The lower part (f–j) reveals images of a 46 year old man with a glioblastoma in the frontal lobe (patient B2), who was treated with 5 cycles of bevacizumab. T1-weighted images before (a,f) and after contrast agent administration (b,g), FLAIR images (c,h), SW images (d,i) and susceptibility maps (e,j) are presented for each patient. The patient in the upper part represents SBS that only correlate with hyperintense areas on the susceptibility maps (arrow heads), whereas the patient in the lower part reveals additional calcifications indicated by hypointense correlates of SBS on susceptibility maps (arrows).</p

Patients characteristics.

<p>Patients characteristics.</p

Results of VOI analysis.

<p>The signal intensity histograms (bin size = 10) of choroid plexus (n = 74) and SBS (n = 219) measured on susceptibility weighted images (SWI) in 46 GBM patients are shown in (a) and (b), respectively. The corresponding susceptibility differences of choroid plexus and SBS regions with respect to NAWM are shown in the histograms in (c) and (d), respectively, with a bin size of 0.03 ppm. (The white and grey bars indicate regions of the choroid plexus and SBS, respectively.)</p