Blitzschnelle Kontrolle von Quantenbits

Quantencomputer versprechen Lösungen für Rechenprobleme, die konven­tio­nellen Groß­rechnern extrem lange Rechen­zeiten abver­langen. Dahinter steckt die Infor­mations­ver­ar­beitung mit Qubits. Nehmen normale Bits die Zustände 0 oder 1 ein, können Quanten­bits beide Zustände gleich­zeitig als Über­lage­rungs­zustand ein­nehmen. Auf diese Weise können Rechen­opera­tionen in Quanten­computern um ein Viel­faches schneller ablaufen – theore­tisch. Denn noch ist die Kon­trolle solcher Quanten­bits extrem schwierig. Das liegt unter anderem an der sehr kurzen Zeit­spanne, in denen ein Quanten­bit zwei Zustände gleich­zeitig inne­hat. Diese Kohä­renz­zeit beträgt bei den Quanten­bits, die Physiker der Uni des Saar­landes erfor­schen, gerade einmal 45 Nano­sekunden. Dennoch ist es den Wissen­schaft­lern jetzt gelungen, ein Quanten­bit auch in dieser extrem kurzen Zeit­spanne voll­ständig zu kon­trol­lieren.

Dazu nutzten die Forscher spezielle Laser, mit denen sie gezielt belie­bige Über­lage­rungs­zu­stände in einem Silizium-Fehl­stellen-Farb­zentrum – kurz SiV –, das als Quanten­bit fungiert, er­zeugen konnte. „Auf­grund dessen spezi­eller elek­tro­nischer Struktur konnten wir ultra­kurze Laser­pulse von nur knapp einer Piko­sekunde zur Kon­trolle zu nutzen. Das erlaubt Quanten­infor­mations­ver­ar­beitung mit extrem hoher Geschwin­dig­keit und ermög­licht es, tausende von Rechen­opera­tionen inner­halb der Kohärenz­zeit des SiV durch­zu­führen“, erklärt Team-Mit­glied Jonas Becker.

Das Silizium-Fehlstellen-Farbzentrum ist ein gewollt einge­bauter Fehler in der ato­maren Gitter­struktur eines an­sonsten hoch­reinen künst­lichen Diamanten, der aus reinem Kohlen­stoff besteht. Statt des ge­wohnten Kohlen­stoff­atoms befindet sich an einer Stelle des Gitters ein Silizium-Atom. Im Gegen­satz zum Diamant selbst wechsel­wirken solche Defekte oftmals sehr stark mit Licht. Daher ist es mög­lich, den internen Quanten­zustand dieser Zentren mit­hilfe von Lasern gezielt zu ver­ändern und auf diese Weise Infor­ma­tion zu speichern. „Das Silizium-Fehl­stellen-Farb­zentrum in Diamant ist ein sehr viel­ver­spre­chender Kandidat für Anwen­dungen der Quanten­techno­logien“ erklärt Becker. „Wir können viele solcher Zentren auf kleins­tem Raum durch Beschuss eines hoch­reinen Diamanten mit einem Teil­chen­be­schleu­niger er­zeugen. Die sehr guten optischen Eigen­schaften des Zentrums erlauben zudem eine effi­ziente optische Ver­netzung der Defekte und die Kon­trolle einzelner SiVs in Systemen mit mehreren Quanten­bits, da wir die Laser mit hoher räum­licher Auf­lösung auf einzelne Zentren fokus­sieren können.“

Die Forscher hoffen, in zukünftigen Arbeiten die hier ent­wickel­ten Kontroll­techniken nutzen zu können, um konkrete Bau­steine für Quanten­kommu­ni­kations-Anwen­dungen zu reali­sieren, wie etwa Systeme zum Speichern von Quanten­infor­mation sowie Schnitt­stellen zwischen Quanten­bits und Licht.

UdS / RK