Forschung & Entwicklung

Quantenzustand in Diamanten gemessen

Mithilfe von Kunstdiamanten gelang ein weiterer wichtiger Schritt in Richtung Hightech-Anwendung von Quantentechnologie: Erstmals konnte der Quantenzustand eines einzelnen Qubits in Diamanten elektrisch gemessen werden.

Die wesentlichen Bausteine für Quantengeräte sind Qubits, die viel mehr Informationen verarbeiten können als die klassischen Bits in unseren derzeitigen Computern. Wissenschaftler aus aller Welt sind auf der Suche nach dem besten Weg, Qubits herzustellen und sie gemäß der Quantengesetze miteinander zu verbinden. Die meisten Qubits, die bisher gebaut wurden, werden mit supraleitenden elektronischen Schaltungen hergestellt. Diese Schaltkreise haben jedoch einen großen Nachteil: Sie arbeiten nur bei kryogenen Temperaturen um - 273 °C.

„In diesem internationalen Forschungsprojekt ist es uns erstmals gelungen, Qubits in Kunstdiamanten herzustellen, die auch bei Raumtemperatur betriebsfähig sind und elektrisch ausgelesen werden können“, erklärt Professor Fedor Jelezko, Leiter des Instituts für Quantenoptik an der Universität Ulm. Perfekte Diamanten bestehen ausschließlich aus Kohlenstoffatomen. Um ein Qubit zu erzeugen, werden zwei dieser Atome entfernt. Eines davon ersetzten die Forscher durch ein Stickstoffatom, das andere hingegen wird gar nicht ersetzt, so dass ein leerer Raum - die so genannte Vakanz - zurückbleibt. Die Kombination von Stickstoff und Vakanz bildet das so genannte NV-Zentrum, ein Spin-Qubit.

Um Qubits in Diamant herzustellen, muss man die Diamantreinheit unter 0,1 Teile pro Milliarde Verunreinigungen verbessern. Da diese Diamant-Qubits bei Raumtemperatur funktionieren können, lassen sie sich viel einfacher in technologische Anwendungen, zum Beispiel Quantensensoren, umsetzen. Dafür musste bisher eine aufwendige optische Messung angewendet werden, für die man starke Mikroskopobjektive und teure Einzelphotonendetektoren brauchte. Den Forschern ist es nun gelungen, den Quantenzustand eines einzelnen Qubits elektrisch zu messen. Dies gelang mittels sogenannter Fotoelektronen, die durch optische Anregung erzeugt werden. Deren Anzahl hängt vom Zustand des Qubits ab, und lässt sich auf vergleichsweise einfache Weise durch eine elektrische Widerstandsmessung erfassen. Die Methode ist nicht nur deutlich praktikabler, sie verspricht auch wesentlich schneller zu sein. Dies ist besonders für Quantensensorik ein sehr wichtiger Vorteil.

Mit ihrer Entdeckung ist die Wissenschaft dem Thema Hightech-Anwendungen einen guten Schritt näher gekommen: Mit dieser Methode werden kompakte, extrem empfindliche Quantensensoren im Chip-Format denkbar, mit möglichen Anwendungen unter anderem in Grundlagenforschung, Materialanalyse und Biochemie. Zudem könnte die Methode auch die Messung von Qubits in einem Diamant-Quantencomputer verbessern und beschleunigen.

von mn

Originalveröffentlichung:

[P. Siyushev, M. Nesladek, E. Bourgeois, M. Gulka, T. Yamamoto, M. Trupke, T. Teraji, J. Isoya, F. Jelezko, Photoelectrical imaging and coherent spin-state readout of single nitrogen-vacancy centers in diamond, Science 363 (2019), DOI: 10.1126/science.aav2789]

www.uni-ulm.de

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