Quanteninternet: Defektzentren in Diamant-Nanostrukturen als Quantenbits

Diamantmaterial ist von großer Bedeutung für Zukunfts­techno­logien wie das Quanten­internet. Spezielle Defekt­zentren können als Qubits genutzt werden und einzelne Photonen aussenden. Um eine Daten­über­tragung mit prakti­kablen Kommuni­kations­raten über weite Distanzen im Quanten­netzwerk zu ermöglichen, müssen alle Photonen in Glasfasern eingesammelt und übermittelt werden, ohne verloren zu gehen. Dabei muss außerdem gewähr­leistet werden, dass diese Photonen alle die gleiche Farbe, also die gleiche Frequenz, haben. Doch das war bisher unmöglich. Einem Forschungs­team unter der Leitung von Tim Schröder an der Humboldt-Universität zu Berlin ist es jetzt erstmalig gelungen, Photonen mit stabilen Photonen­frequenzen zu erzeugen und nach­zu­weisen, die von Quanten­licht­quellen, genauer: von Stickstoff-Fehlstellen-Defekt­zentren in Diamant-Nano­strukturen, emittiert wurden.

Das wurde durch eine sorg­fältige Wahl des Diamant­materials, hoch­entwickelte Nano­fabrikations­methoden und spezielle experi­mentelle Kontroll­protokolle möglich. Durch die Kombination der Methoden kann das Rauschen der Elektronen, das bisher die Daten­über­tragung gestört hat, signifikant reduziert werden und die Photonen werden auf einer stabilen Frequenz ausgesendet. Zudem zeigen die Forscher, dass man perspektivisch mit Hilfe der entwickelten Methoden die gegen­wärtigen Kommuni­kations­raten zwischen räumlich getrennten Quanten­systemen mehr als tausend­fach erhöhen kann, so dass sie einem zukünftigen Quanten­internet einen wichtigen Schritt näher gekommen sind.

Die Wissenschaftler haben einzelne Qubits in optimierte Diamant-Nano­strukturen integriert. Diese Strukturen ermöglichen es, einzelne ausgesendete Licht­teilchen in Glasfasern gerichtet zu überführen. Bei der Herstellung der Nano­strukturen wird allerdings die Material­oberfläche auf atomarer Ebene beschädigt und freie Elektronen erzeugen unkontrol­lier­bare Störungen für die erzeugten Licht­teilchen. Ein Rauschen, das vergleichbar ist mit einer unstabilen Radio­frequenz, führt zu Schwankungen in der Photonen­frequenz und verhindert somit erfolg­reiche Quanten­operationen, wie beispiels­weise Verschränkung.

Eine Besonderheit in dem genutzten Diamant­material ist, dass relativ viele Fremdatome in dem Kristall­gitter vorhanden sind. Diese schirmen möglicher­weise die Quanten­licht­quelle von Stör­elek­tronen an der Oberfläche der Nanostruktur ab. Die genauen physika­lischen Prozesse müssen allerdings in Zukunft noch näher untersucht werden. Unterstützt werden die Schluss­folgerungen aus den experi­men­tellen Beobach­tungen mit statistischen Modellen und Simulationen.

HU Berlin / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  L. Orphal-Kobin et al.: Optically Coherent Nitrogen-Vacancy Defect Centers in Diamond Nanostructures, Phys. Rev. X 13, 011042 (2023); DOI: 10.1103/PhysRevX.13.011042
• Integrierte Quantenphotonik (T. Schröder), Institut für Physik, Humboldt-Universität zu Berlin

Weitere Beiträge

• L. Wörner, S. Wölk und M. Wurz, Quantencomputing @ DLR, Physik Journal, April 2023, S. 62 PDF
• Physik Journal Dossier: Quanteninformation