22.02.2019 • Quantenphysik

Diamanten sind des Quantenforschers beste Freunde

Erstmals Quantenzustände einzelner Qubits in Diamanten elektrisch gemessen.

Die Quantentechnologie gilt als die Technologie der Zukunft. 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 den Quanten­gesetzen 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 knapp über dem absoluten Nullpunkt.

Abb.: Künstlicher Diamant, wie er in der Quantenforschung eingesetzt wird....
Abb.: Künstlicher Diamant, wie er in der Quantenforschung eingesetzt wird. (Bild: Heiko Grandel, U. Ulm)

Mithilfe von Kunstdiamanten gelang einem internationalen Forscherteam jetzt ein wichtiger Schritt in Richtung Hightech-Anwendung von Quanten­technologie: Erstmals konnten die Wissenschaftler Quantenzustände einzelner Qubits in Diamanten elektrisch messen.  „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 Projekt­leiter Fedor Jelezko von der Uni 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 eine Vakanz zurückbleibt. Die Kombination von Stickstoff und Vakanz bildet das 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 aufwändige optische Messung angewendet werden, für die man starke Mikroskop-Objektive und teure Einzel­photonen-Detektoren brauchte. Den Forschern ist es nun gelungen, den Quanten­zustand eines einzelnen Qubits elektrisch zu messen. Das gelang mittels Photo­elektronen, 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. Das 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", so Michael Trupke von der Uni Wien. Zudem könnte die Methode auch die Messung von Qubits in einem Diamant-Quanten­computer verbessern und beschleunigen.

U. Ulm / RK

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