08 Apr. Diamant-Qubits auf dem Weg in die Anwendung
Eine Forschungskooperation aus Berlin und Dortmund konnte zeigen, dass Diamanten mit gezielt eingebauten Defekten einfacher als bisher für stabile Qubits eingesetzt werden können. Die Herausforderung bestand bislang darin, diese Qubits mit Licht zu kontrollieren und zugleich die von den Qubits ausgesendeten Photonen eindeutig als Informationsträger nachzuweisen. Konventionelle Ansätze nutzen dafür häufig komplexe optische Filtertechniken. Diese verringern jedoch die Effizienz und erschweren es, die Systeme für Anwendungen zu skalieren.
In einer Kooperation der Humboldt-Universität zu Berlin, des Ferdinand-Braun-Instituts, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH), sowie der TU Dortmund nutzen die Forschenden Zinn-Vakanz-Zentren (SnV) in Diamantkristallen, als Farbzentren genannt, als Qubits. Die SnV-Zentren können Quanteninformation speichern, verarbeiten und gleichzeitig auf Einzelphotonen übertragen. Die vom Forschungsteam entwickelte Super-Methode (Swing-up of the Quantum Emitter Population) nutzt zwei aufeinander abgestimmte Femtosekundenlaserpulse (Kontrolllaser), die das Quantensystem anregen. Dadurch wird es laut den Forschenden nun deutlich einfacher, den Kontrolllaser von den einzelnen Photonen – den Trägern der Quanteninformation – zu trennen. Für die Studie haben die Forschenden nach eigenen Angaben verschiedene experimentelle Ansätze miteinander kombiniert: die Fabrikation von Diamantnanostrukturen mit eingebetteten Zinn-Vakanz-Zentren, ultraschnelle optische Methoden sowie theoretische Modellierung.
„Mit ultraschnellen Pulsen können wir den Quantenzustand auf völlig neuen Zeitskalen kontrollieren. Das eröffnet den Weg zu schnelleren und komplexeren Quantenoperationen auf Basis von Diamant“, sagt Cem Güney Torun, Doktorand am Institut für Physik. Mustafa Gökçe, ehemaliger wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Physik, ergänzt: „Unsere Methode ermöglicht es uns, das System effizient anzuregen und gleichzeitig die emittierten Einzelphotonen sauber und nutzbar zu halten. Das ist eine zentrale Voraussetzung für den Aufbau von Netzwerken für die Quantenkommunikation.“
Eine weitere wichtige Erkenntnis war den Forschenden zufolge: Die Super-Methode erhält den internen Quantenspinzustand des Systems. Dieser Zustand ist entscheidend, um Quantenverschränkung zwischen entfernten Knoten zu erzeugen – ein weiterer Grundpfeiler zukünftiger Quantenkommunikation. Damit rücken diamantbasierte Quantenrepeater und verteilte Quantencomputer einen Schritt näher an ihre praktische Anwendung.
Quelle: www.hu-berlin.de
Bild: Stefan Klenke / HU