Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) haben zum ersten Mal in Deutschland gezeigt, wie sogenannte Zinn-Fehlstellen in Diamanten sehr exakt mit Mikrowellen kontrolliert werden können. Diese Defekte haben besondere optische und magnetische Eigenschaften und können als Qubits genutzt werden: kleinste Recheneinheiten für Quantencomputer und die Quantenkommunikation. Die Ergebnisse sind ein wichtiger Schritt für die Entwicklung leistungsfähiger Quantencomputer und sicherer Quantenkommunikationsnetzwerke. Die Forschenden berichten in der Fachzeitschrift Physical Review X (DOI: 10.1103/PhysRevX.14.031036).
Quantencomputer und Quantenkommunikation gelten als zukunftsweisende Technologien für eine im Vergleich zu klassischen Rechnern viel schnellere und sicherere Datenverarbeitung und -übertragung. Die grundlegenden Informationseinheiten in Quantencomputern sind Qubits, die quantenmechanische Entsprechung zu Bits in der herkömmlichen Datenverarbeitung. Während in der klassischen digitalen Kommunikation beispielsweise Laserpulse in einer Glasfaser Informationen von A nach B transportieren, nutzt die Quantenmechanik einzelne Photonen, was den Informationsaustausch prinzipiell abhörsicher macht. Um die Information der Photonen zu speichern und in Quantenrechnern zu verarbeiten, eignen sich optisch adressierbare, also mit Licht steuerbare oder ausgelesene Qubits. Diese können die Quantenzustände speichern, verarbeiten und in Form von Photonen aufnehmen und abgeben.
Knackpunkt ist die Stabilität der Qubits
Eine der größten Herausforderungen bei der Entwicklung von Qubits ist es, deren Kohärenzzeit, also die Zeit, in der sie Informationen stabil speichern können, zu verlängern. Inwieweit es gelingt, effiziente und skalierbare Quantencomputer zu entwickeln, hängt entscheidend davon ab, ob es möglich ist, Qubits so zu kontrollieren und stabil zu halten, dass deren Eigenschaften praktisch genutzt werden können.
Die Doktoranden Ioannis Karapatzakis und Jeremias Resch haben sich am Physikalischen Institut des KIT damit beschäftigt, wie ein spezieller Diamant-Defekt, das sogenannte Zinn-Fehlstellen-Zentrum (SnV), präzise angesteuert werden kann. Die Arbeit war Teil der vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Projekte „Quantenrepeater.Link (QR.X)“ zur sicheren faserbasierten Quantenkommunikation und SPINNING, das auf einen Spin-Photon-basierten Quantencomputer auf Diamantbasis hinarbeitet.
„Ein Defekt in der Gitterstruktur der Kohlenstoffatome eines Diamanten entsteht, wenn Atome fehlen oder durch andere Atome ersetzt werden, etwa durch Zinn“, erklärt Karapatzakis. Solche Defekte können als Qubits für die Quantenkommunikation genutzt werden, denn sie haben spezielle optische und magnetische Eigenschaften, die es ermöglichen, ihre Zustände, etwa den Elektronenspin, durch Licht oder Mikrowellen gezielt zu manipulieren. Das kann die Defekte als stabile Qubits nutzbar machen, die Informationen speichern, verarbeiten und an Photonen ankoppeln können.
Kohärenzzeiten konnten erheblich verbessert werden
Die Diamant-Qubits haben den Vorteil, dass sie in fester Form vorliegen. Das macht sie leichter handhabbar als andere Quantenmaterialien wie beispielsweise Atome in einem Vakuum. Per Ansteuerung mit Mikrowellen gelang es Karapatzakis und Resch, die Elektronenspins der Zinn-Fehlstellen-Zentren-Qubits präzise zu beeinflussen und dies sichtbar zu machen. „Wir konnten die Kohärenzzeiten der SnV-Zentren im Diamanten auf bis zu zehn Millisekunden erheblich verbessern“, sagt Resch. Dies gelang mit der Methode der dynamischen Entkopplung, die Störfaktoren weitgehend minimiert. Eine weitere Besonderheit ist, dass die beiden Doktoranden erstmals zeigen konnten, dass diese Art der Diamant-Defekte sehr effizient mit supraleitenden Wellenleitern kontrolliert werden kann: Diese leiten die Mikrowellen effizient zu den Defekten, ohne dabei Wärme zu erzeugen. „Das ist von großer Bedeutung, da diese Defekte im Allgemeinen bei sehr niedrigen Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt erforscht werden. Erhöhte Temperaturen würden die Qubits unbrauchbar machen“, so Karapatzakis.
„Um eine Kommunikation zwischen zwei Nutzenden oder künftig auch zwei Quantenrechnern herzustellen, muss ich in der Lage sein, die Quantenzustände des Qubits auf Photonen zu übertragen“, ordnet Resch ein. „Durch die optische Auslese des Qubits und das Erreichen stabiler spektraler Eigenschaften konnten wir einen wichtigen Schritt in diese Richtung machen. Damit haben unsere Ergebnisse zur Ansteuerung von Zinn-Fehlstellen-Zentren in Diamanten das Potenzial für einen wichtigen Durchbruch bei der weiteren Entwicklung einer sicheren und effizienten Quantenkommunikation.“ (kar)
Ioannis Karapatzakis, Jeremias Resch, Marcel Schrodin, Philipp Fuchs, Michael Kieschnick, Julia Heupel, Luis Kussi, Christoph Sürgers, Cyril Popov, Jan Meijer, Christoph Becher, Wolfgang Wernsdorfer, David Hunger: Phys. Rev. X 14, 27 August 2024, DOI: 10.1103/PhysRevX.14.031036