Forschung & Entwicklung

Quanteninformations-Rekord mit Nano-Diamant

03.07.2012

Mit Hilfe von synthetischem Diamant konnte die Speicherdauer eines Quanten-Bits bei Raumtemperatur auf > 1 s ausgedehnt werden, was neue Ansätze für Festkörper-Quantensensoren und die Quanten-Informationsverarbeitung eröffnet.

Mehr als 1 Sekunde Quanteninformationsspeicherung in synthetischem Diamant bei Raumtemperatur – tausend Mal länger als bisher (Bild: Element Six)

In einkristallinem Diamant, synthetisiert durch chemische Gasphasen-Abscheidung (chemical vapour deposition, CVD), konnte die Spin-Polarisation eines Quanten-Bits für mehrere Minuten und seine Speicherkohärenz für über eine Sekunde aufrecht erhalten werden. Derart lange Speicherdauern wurden bei Raumtemperatur noch nie berichtet. Die sonst erforderliche kryogenische Kühlung anderer Materialien und Technologien entfallen.
In der Synthese müssen atomare Verunreinigungen in der Größenordnung von 1 : 10¹² kontrolliert eingestellt werden. In solchen Dotier-Atomen kann der Spin einzelner Elektronen, den man sich klassisch als entweder Zustand 1 oder 0 vorstellen würde, als Quanteneigenschaft beide Zustände gleichzeitig annehmen. Hierauf beruht u.a. die Funktion zukünftiger Quanten-Computer. Neben der Quanteninformationstechnik liegen mögliche neue Anwendungen bei elementaren Magnetsensoren z.B. für die Nano-Bildgebung chemischer oder biologischer Prozesse.
Die Arbeiten wurden teilweise im DARPA QuASAR Programm gefördert und erfolgten in einer Kooperation von Element Six Ltd., Ascot, UK, Hersteller von synthetischem Diamant, mit Forschern der Harvard University, Cambridge, Massachusetts, USA, des California Institute of Technology, Pasadena, Kalifornien, USA, und des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik, Garching.
[P.C. Maurer, G. Kucsko, C. Latta, L. Jiang, N.Y. Yao, S.D. Bennett, F. Pastawski, D. Hunger, N. Chisholm, M. Markham, D.J. Twitchen, J.I. Cirac, M. D. Lukin, Room-Temperature Quantum Bit Memory Exceeding One Second, Science Vol. 336, No. 6086, pp. 1283-1286, 8 June 2012, DOI: 10.1126/science.1220513]

Photonik 4/2012

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