Ein Schritt in Richtung Quantencomputer

Diamanten mit vereinzelten Unregelmäßigkeiten in der sonst regelmäßigen atomaren Struktur, sogenannte Defekte, gelten aufgrund ihrer Quanteneigenschaften als aussichtsreiche Kandidaten für die Entwicklung des Quantencomputers.

Die Struktur und Eigenschaften dieser Defekte auf Atomebene ließen sich bislang jedoch nur unvollständig bestimmen. Physiker der Universität Konstanz und der University of Chicago, USA, entwickelten nun eine Methode zur präzisen Charakterisierung und Kontrolle von Defekten in der Atomstruktur von Diamant.

Die Forscher verwenden ultraschnelle Lichtpulse, um den Quantenzustand des Defektes sowohl zu kontrollieren als auch um zu beobachten, wie der Zustand des einzelnen Elektrons sich in der ultrakurzen Zeitskala wandelt. Ihre Forschungsergebnisse, die im August 2014 im Wissenschaftsjournal „Science“ veröffentlicht wurden, könnten nicht nur einen wichtigen Schritt für die Entwicklung des Quantencomputers darstellen, sondern ermöglichen auch die Entwicklung von hochsensiblen Messgeräten für Magnetfelder.

Nicht immer ist ein Defekt auch ein Defizit. Diamanten werden durch Abweichungen und Fehlstellen in ihrer sonst regelmäßigen Atomstruktur für die Quantenmechanik besonders interessant, da diese strukturellen Abweichungen ihnen besondere Eigenschaften verleihen. „Es ist schwer, geeignete Materialien zu finden, die gut kontrollierbare Quanteneigenschaften haben.

Diamanten mit einem Defekt sind ein solcher Kandidat“, erklärt Prof. Dr. Guido Burkard, Professor für Theoretische Festkörperphysik und Quanteninformation an der Universität Konstanz. Seine Arbeitsgruppe entwickelte in Zusammenarbeit mit dem Forscherteam von Prof. David Awschalom von der University of Chicago eine Methode zur Ausmessung und Steuerung von Defekten in Diamanten, insbesondere dem sogenannten NV-Defekt.

Dabei handelt es sich um die Ersetzung eines Kohlenstoffatoms durch ein Stickstoffatom (N) in Kombination mit einer Fehlstelle (V für Vakanz) in der Atomstruktur. „Dieser Defekt ist weithin bekannt, da es sich um den Defekt handelt, der einem Diamanten eine rosa Färbung gibt“, erläutert Burkard.

Für die Quantenmechanik ist der NV-Defekt von besonderem Interesse, da er einen sogenannten Spin besitzt: „Ein Spin ist ein Quantenphänomen, das sich am ehesten mit einem Eigendrehimpuls vergleichen lässt. Ein Spin ist ein quantenmechanischer Freiheitsgrad. Dessen Steuerung ist die Grundvoraussetzung für einen Quantencomputer“, so Burkard. Mit bisherigen Analyseverfahren ließ sich die Struktur von Defekten in Diamanten jedoch nur unzureichend bestimmen.

In ihrem neuen Verfahren greifen die Forscher aus Konstanz und Chicago auf ultraschnelle Lichtimpulse zurück, um die Struktur des Defektes zu bestimmen. „Mit einem sehr schnellen Lichtpuls wird das System angeregt und in einen höheren Zustand versetzt. Nach einer kurzen Zeit, in der das System wechselwirkt, wird ein zweiter Puls gesendet, der das System gezielt abregt.

In diesem Zustand lässt sich die Struktur sehr genau ausmessen, wie in einer Art ‚Quantentomographie‘. Zudem gewinnen wir ein Bild von der Dynamik des Systems“, erläutert Burkard die Methode. Ein weiterer Vorzug des neuen Verfahrens ist, dass sich der Spin über die Lichtpulse sehr viel präziser steuern lässt, als es bislang über Mikrowellen möglich war. „Das ging bislang mit einer Mikrosekunde, also einer Millionstel Sekunde, noch vergleichsweise langsam“, vergleicht Burkard.

Originalpublikation:
“Ultrafast Optical Control of Orbital and Spin Dynamics in a Solid-State Defect,” by Lee C. Bassett, F. Joseph Heremans, David J. Christle, Christopher G. Yale, Guido Burkard, Bob B. Buckley and David D. Awschalom, Science Express, Aug. 14, 2014.

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Prof. Dr. Guido Burkard
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