Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Mit Spiegeln zur besseren Qualität von Lichtteilchen

11.09.2017

Wissenschaftlern vom Departement Physik der Universität Basel und vom Swiss Nanoscience Institute ist es gelungen, die Qualität von einzelnen Photonen, die durch ein Quantensystem generiert werden, drastisch zu verbessern. Die Wissenschaftler konnten damit eine zehn Jahre alte theoretische Vorhersage erfolgreich umsetzen. Mit dieser Arbeit, die kürzlich in Physical Review X veröffentlicht wurde, kommen sie zukünftigen Anwendungen in der Quanteninformationstechnologie einen wichtigen Schritt näher.

Seit einigen Jahren arbeiten Wissenschaftler daran den Spin von Elektronen zu nutzen, um damit Informationen zu speichern und zu verarbeiten. Ein möglicher Ansatz ist es, ein Quantensystem zu nutzen, bei dem der Quantenzustand des Elektronenspins mit dem von ausgesandten Lichtteilchen (Photonen) verbunden ist.


NV-Zentren in Diamanten haben die besondere Eigenschaft, dass der Zustand des Elektronenspins über die von ihnen ausgesendeten Lichtteilchen ausgelesen werden können.

Bild: Universität Basel, Departement Physik

Bessere Photonen erforderlich

Als bewährte Struktur für diesen Ansatz, in der sich Elektronenspins leicht auslesen und manipulieren lassen, gelten sogenannte Stickstoff-Fehlstellenzentren (NV-Zentren). Dabei handelt es sich um natürliche Defekte im Kristallgitter von künstlichen Diamanten.

Für die Quanteninformationsverarbeitung sind NV-Zentren besonders interessant, weil sich damit einzelne Lichtteilchen (Photonen) aussenden lassen, die Informationen über den Zustand ihres Elektronenspins mit sich tragen. Diese Photonen wiederum können dadurch eine quantenmechanische Verschränkung zwischen verschiedenen NV-Zentren herstellen, die auch über grosse Distanzen bestehen bleibt und somit zur Datenübertragung genutzt werden kann.

Für eine Verwendung in der Quanteninformationstechnik muss jedoch die Quantität und vor allem auch die Qualität der ausgesandten Photonen deutlich verbessert werden, da bisher nur ein Bruchteil der Photonen für die Erzeugung einer Verschränkung genutzt werden kann.

Gelungene Optimierung

Dem Doktoranden Daniel Riedel ist es nun gelungen, die Ausbeute der verwendbaren Photonen dieser NV-Zentren von bisher drei auf nun fünfzig Prozent zu steigern. Zudem konnte Riedel die Rate, mit der die Photonen emittiert werden, fast verdoppeln.

Er erreichte diese signifikanten Verbesserungen, indem er einen nur einige 100 Nanometer grossen Diamanten zwischen zwei winzige Spiegel platzierte. Bereits vor zehn Jahren war theoretisch beschrieben worden, dass die Platzierung der NV-Zentren in einem Hohlraum die Ausbeute der Photonen steigern müsse. Jedoch war es bisher keiner Forschungsgruppe gelungen, die Theorie in die Praxis umzusetzen.

Die Arbeit entstand im Rahmen einer Dissertation an der 2012 gegründeten Doktorandenschule des Swiss Nanoscience Institute. «Wir haben eine wichtige Hürde auf dem Weg zum Quanteninternet genommen», bemerkt Betreuer Professor Richard Warburton vom Departement Physik der Universität Basel.

Professor Patrick Maletinsky, der die Arbeit ebenfalls betreut hat, fügt hinzu: «Die einzigartige Kombination von Knowhow im Bereich der Photonik, der besonderen Diamantstrukturen sowie der Nanofabrikation hier in Basel hat es ermöglicht, dass wir diese seit 10 Jahren bestehende Herausforderung erstmals meistern konnten.»

Originalbeitrag

Daniel Riedel, Immo Söllner, Brendan J. Shields, Sebastian Starosielec, Patrick Appel, Elke Neu, Patrick Maletinsky, and Richard J. Warburton
Deterministic Enhancement of Coherent Photon Generation from a Nitrogen-Vacancy Center in Ultrapure Diamond
Physical Review X (2017), doi: 10.1103/PhysRevX.7.031040

Weitere Auskünfte

Prof. Dr. Richard Warburton, Universität Basel, Departement Physik, Tel. +41 61 207 35 60, E-Mail: richard.warburton@unibas.ch

Prof. Dr. Patrick Maletinsky, Universität Basel, Departement Physik, Tel. +41 61 207 37 63, E-Mail: patrick.maletinsky@unibas.ch

Weitere Informationen:

https://www.unibas.ch/de/Aktuell/News/Uni-Research/Mit-Spiegeln-zur-besseren-Qua...

Cornelia Niggli | Universität Basel

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Ultrakalte chemische Prozesse: Physikern gelingt beispiellose Vermessung auf Quantenniveau
17.11.2017 | Universität Ulm

nachricht Zwei verdächtigte Sterne unschuldig an mysteriösem Antiteilchen-Überschuss
17.11.2017 | Max-Planck-Institut für Kernphysik

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Ultrakalte chemische Prozesse: Physikern gelingt beispiellose Vermessung auf Quantenniveau

Wissenschaftler um den Ulmer Physikprofessor Johannes Hecker Denschlag haben chemische Prozesse mit einer beispiellosen Auflösung auf Quantenniveau vermessen. Bei ihrer wissenschaftlichen Arbeit kombinierten die Forscher Theorie und Experiment und können so erstmals die Produktzustandsverteilung über alle Quantenzustände hinweg - unmittelbar nach der Molekülbildung - nachvollziehen. Die Forscher haben ihre Erkenntnisse in der renommierten Fachzeitschrift "Science" publiziert. Durch die Ergebnisse wird ein tieferes Verständnis zunehmend komplexer chemischer Reaktionen möglich, das zukünftig genutzt werden kann, um Reaktionsprozesse auf Quantenniveau zu steuern.

Einer deutsch-amerikanischen Forschergruppe ist es gelungen, chemische Prozesse mit einer nie dagewesenen Auflösung auf Quantenniveau zu vermessen. Dadurch...

Im Focus: Leoniden 2017: Sternschnuppen im Anflug?

Gemeinsame Pressemitteilung der Vereinigung der Sternfreunde und des Hauses der Astronomie in Heidelberg

Die Sternschnuppen der Leoniden sind in diesem Jahr gut zu beobachten, da kein Mondlicht stört. Experten sagen für die Nächte vom 16. auf den 17. und vom 17....

Im Focus: «Kosmische Schlange» lässt die Struktur von fernen Galaxien erkennen

Die Entstehung von Sternen in fernen Galaxien ist noch weitgehend unerforscht. Astronomen der Universität Genf konnten nun erstmals ein sechs Milliarden Lichtjahre entferntes Sternensystem genauer beobachten – und damit frühere Simulationen der Universität Zürich stützen. Ein spezieller Effekt ermöglicht mehrfach reflektierte Bilder, die sich wie eine Schlange durch den Kosmos ziehen.

Heute wissen Astronomen ziemlich genau, wie sich Sterne in der jüngsten kosmischen Vergangenheit gebildet haben. Aber gelten diese Gesetzmässigkeiten auch für...

Im Focus: A “cosmic snake” reveals the structure of remote galaxies

The formation of stars in distant galaxies is still largely unexplored. For the first time, astron-omers at the University of Geneva have now been able to closely observe a star system six billion light-years away. In doing so, they are confirming earlier simulations made by the University of Zurich. One special effect is made possible by the multiple reflections of images that run through the cosmos like a snake.

Today, astronomers have a pretty accurate idea of how stars were formed in the recent cosmic past. But do these laws also apply to older galaxies? For around a...

Im Focus: Pflanzenvielfalt von Wäldern aus der Luft abbilden

Produktivität und Stabilität von Waldökosystemen hängen stark von der funktionalen Vielfalt der Pflanzengemeinschaften ab. UZH-Forschenden gelang es, die Pflanzenvielfalt von Wäldern durch Fernerkundung mit Flugzeugen in verschiedenen Massstäben zu messen und zu kartieren – von einzelnen Bäumen bis hin zu ganzen Artengemeinschaften. Die neue Methode ebnet den Weg, um zukünftig die globale Pflanzendiversität aus der Luft und aus dem All zu überwachen.

Ökologische Studien zeigen, dass die Pflanzenvielfalt zentral ist für das Funktionieren von Ökosys-temen. Wälder mit einer höheren funktionalen Vielfalt –...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Technologievorsprung durch Textiltechnik

17.11.2017 | Veranstaltungen

Roboter für ein gesundes Altern: „European Robotics Week 2017“ an der Frankfurt UAS

17.11.2017 | Veranstaltungen

Börse für Zukunftstechnologien – Leichtbautag Stade bringt Unternehmen branchenübergreifend zusammen

17.11.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Technologievorsprung durch Textiltechnik

17.11.2017 | Veranstaltungsnachrichten

IHP präsentiert sich auf der productronica 2017

17.11.2017 | Messenachrichten

Roboter schafft den Salto rückwärts

17.11.2017 | Innovative Produkte