Quantenphysikalisch gekoppelte Diamanten
Atomare Fehler in Diamanten können als Quantenspeicher verwendet werden. An der TU Wien gelang es nun erstmals, Defekte unterschiedlicher Diamanten quantenphysikalisch zu koppeln.
Zwei schwarze Diamanten auf einem supraleitenden Chip (12x4mm). Die Geschwungene Linie ist ein Resonator, der die beiden Diamanten koppelt.
Copyright: TU Wien
Diamanten mit winzigen Fehlern könnten für die Zukunft der Quantentechnologie eine große Rolle spielen. An der TU Wien werden schon seit längerer Zeit die Quanteneigenschaften solcher Diamanten untersucht, nun gelang es erstmals, die speziellen Defekte in zwei solchen Diamanten miteinander zu koppeln. Das ist eine wichtige Voraussetzung für die Entwicklung neuer Anwendungen – von hochsensiblen Sensoren bis hin zu Schaltungen für Quantencomputer.
Auf der Suche nach dem passenden Quantensystem
„Quantenzustände sind leider sehr fragil und zerfallen sehr schnell“, erklärt Johannes Majer, Leiter der Hybrid Quantum-Forschungsgruppe am Atominstitut der TU Wien. Daher wird intensiv daran geforscht, Quantensysteme zu finden, die sich für technologische Anwendungen nutzen lassen. Zwar gibt es einige vielversprechende Kandidaten mit speziellen Vorteilen, aber bis heute hat man kein System, das alle Anforderungen gleichzeitig erfüllt.
„Ein möglicher Kandidat für die Realisierung eines Quantencomputers sind ganz spezielle Defekte in Diamanten“, sagt Johannes Majer. Ein reiner Diamant besteht ausschließlich aus Kohlenstoffatomen. Er kann allerdings passieren, dass an manchen Stellen im Diamant stattdessen ein Stickstoffatom sitzt und an einer benachbarten Stelle im atomaren Gitter der Diamantstruktur überhaupt kein Atom vorhanden ist – man spricht von einem „Loch“. Dieser Defekt aus Stickstoffatom und Loch bildet ein Quantensystem, dessen Zustände sehr langlebig sind, daher eignen sich Diamanten mit solchen Fehlern sehr gut für Quanten-Experimente.
Auf die Kopplung kommt es an
Eine wichtige Voraussetzung für viele quantentechnologische Anwendungen ist es allerdings, solche Quantensysteme miteinander koppeln zu können. Und das war bei den Diamant-Systemen bisher kaum möglich. „Die Wechselwirkung zwischen zwei solchen Stickstoff-Loch-Defekten ist extrem schwach und hat nur eine Reichweite von etwa zehn Nanometern“, sagt Majer.
Nun gelang dieses Kunststück allerdings mit Hilfe eines supraleitenden Quantenchips, in dem Mikrowellenstrahlung erzeugt wird. Schon in den vergangenen Jahren untersuchte das Team der TU Wien, wie man die Diamanten mit Hilfe von Mikrowellen manipulieren kann: „Billionen von Stickstoff-Loch-Defekten im Diamanten werden kollektiv an ein Mikrowellenfeld gekoppelt“, sagt Johannes Majer. „Damit kann man den Quantenzustand der Diamanten manipulieren und auslesen.“
Nun ist der entscheidende nächste Schritt geglückt: Dem Team ist es gelungen, zwei verschiedene Diamanten so an beiden Enden eines Chips anzukoppeln, dass eine Wechselwirkung zwischen den beiden Diamanten entsteht. „Diese Wechselwirkung wird vom Mikrowellen-Resonator im Chip dazwischen vermittelt, der Resonator hat damit eine ähnliche Funktion wie ein Datenbus in einem herkömmlichen Computer“, sagt Johannes Majer.
Die Kopplung zwischen den beiden Diamanten lässt sich gezielt ein- und ausschalten: „Die beiden Diamanten sind um einen bestimmten Winkel gegeneinander verdreht“, berichtet Thomas Astner, der Erstautor der aktuellen Arbeit. „Außen legt man ein Magnetfeld an – und seine Richtung ist entscheidend: Wenn das Magnetfeld mit beiden Diamanten denselben Winkel einschließt, kann man sie quantenphysikalisch koppeln. Bei anderen Magnetfeldrichtungen kann man die einzelnen Diamanten ohne Kopplung untersuchen.“ Die ersten Schritte des Experimentes wurden von Noomi Peterschofsky im Rahmen ihrer Bachelorarbeit unternommen. Danach gelang es Thomas Astner und Stefan Nevlacsil während ihrer Masterarbeit, die Kopplung der Diamanten experimentell nachzuweisen.
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