Photonen in einem diamantbasierten Quantensystem auf neue Weise erzeugen
Ultraschnelle Laserpulse bringen Quanteninternet der Realität näher und Quantenforschung weiter in Richtung Anwendung.
Die kontrollierte Erzeugung einzelner Photonen ist ein Kernelement zahlreicher Anwendungen der Quantentechnologie, etwa in Quantennetzwerken oder beim Quantencomputing. Ein Forschungsteam der Arbeitsgruppe Integrated Quantum Photonics am Institut für Physik der Humboldt-Universität zu Berlin sowie im Joint Lab Diamond Nanophotonics am Ferdinand-Braun-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) in Berlin unter der Leitung von Tim Schröder hat nun die erfolgreiche Anwendung der neuen Methode SUPER (Swing-UP of the quantum EmitteR population) demonstriert. Das Verfahren erleichtert die kontrollierte Erzeugung von Lichtteilchen.
Im Zentrum der Studie stehen Diamantkristalle mit gezielt eingebrachten Defekten in ihrer Atomstruktur – Zinn-Vakanz-Zentren (SnV-Zentren). Diese Farbzentren dienen als stabile Qubits. Sie können Quanteninformation speichern, verarbeiten und gleichzeitig auf Lichtteilchen übertragen. Eine große Herausforderung für die Quantentechnologie besteht bislang darin, diese Qubits mit Licht zu kontrollieren und zugleich die von den Qubits ausgesendeten Photonen eindeutig als Informationsträger nachzuweisen. Konventionelle Ansätze nutzen dafür häufig komplexe Filtertechniken. Diese verringern jedoch die Effizienz und erschweren es, die Systeme für Anwendungen zu skalieren.
Das Forschungsteam zeigte nun gemeinsam mit Doris Reiter und Thomas Bracht von der TU Dortmund, dass sich dieses Problem mit der von den Dortmunder Kolleg:innen mitentwickelten neuen Methode SUPER lösen lässt. Bei SUPER regen zwei speziell aufeinander abgestimmte Laserpulse (Kontrolllaser) das Quantensystem an. Dadurch wird es deutlich einfacher, den Kontrolllaser von den einzelnen Photonen – den Trägern der Quanteninformation – zu trennen. Die Forschenden kontrollieren die Qubits mithilfe extrem kurzer Laserpulse. Diese Pulse liegen im Femtosekundenbereich und zählen zu den schnellsten optischen Kontrolloperationen, die bislang für diamantbasierte Quantensysteme demonstriert wurden.
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„Mit ultraschnellen Pulsen können wir den Quantenzustand auf völlig neuen Zeitskalen kontrollieren. Das eröffnet den Weg zu schnelleren und komplexeren Quantenoperationen auf Basis von Diamant“, sagt Cem Güney Torun, Doktorand am Institut für Physik und einer der beiden Erstautoren der Studie. Mustafa Gökçe, ebenfalls Erstautor und ehemaliger Kollege, ergänzt: „Unsere Methode ermöglicht es uns, das System effizient anzuregen und gleichzeitig die emittierten Einzelphotonen sauber und nutzbar zu halten. Das ist eine zentrale Voraussetzung für den Aufbau von Netzwerken für die Quantenkommunikation.“
Eine weitere wichtige Erkenntnis: Die SUPER-Methode erhält den internen Quanten-Spinzustand des Systems. Dieser Zustand ist entscheidend, um Quantenverschränkung zwischen entfernten Knoten zu erzeugen – ein weiterer Grundpfeiler zukünftiger Quantenkommunikation.
Für die Studie haben die Quantenforschende verschiedene experimentelle Ansätze miteinander kombiniert: die Fabrikation von Diamant-Nanostrukturen mit eingebetteten Zinn-Vakanz-Zentren, ultraschnelle optische Methoden sowie theoretische Modellierung. Dadurch konnte das Team demonstrieren, dass mit SUPER ein neues, leistungsfähiges Werkzeug für die Festkörper-Quantentechnologie zur Verfügung steht. Damit rücken auf Diamant basierende Quantenrepeater und verteilte Quantencomputer einen Schritt näher an ihre praktische Anwendung. [FBH / HU Berlin / TU Dortmund / dre]
Weitere Informationen
- Originalveröffentlichung
C. G. Torun, M. Gökçe, T. K. Bracht, et al., SUPER and femtosecond spin-conserving coherent excitation of a tin-vacancy color center in diamond, Nat. Commun. 17, 2154, 3. März 2026; DOI: 10.1038/s41467-026-69911-1 - Theory of solid-state nanostructures for quantum technologies – Reiter Group, Forschungsschwerpunkt Kondensierte Materie, Fakultät Physik, Technische Universität Dortmund
- Diamant-Nanophotonik – Joint Lab Diamond Nanophotonics DNP (Tim Schröder), FBH Berlin-Adlershof / Integrated Quantum Photonics Group, Institut für Physik, Humboldt-Universität zu Berlin
