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 Maschinelles Lernen im Quantenlabor
19.01.2018 | Universität Innsbruck

nachricht Seltsames Verhalten eines Sterns offenbart Schwarzes Loch, das sich in riesigem Sternhaufen verbirgt
17.01.2018 | ESO Science Outreach Network - Haus der Astronomie

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: Maschinelles Lernen im Quantenlabor

Auf dem Weg zum intelligenten Labor präsentieren Physiker der Universitäten Innsbruck und Wien ein lernfähiges Programm, das eigenständig Quantenexperimente entwirft. In ersten Versuchen hat das System selbständig experimentelle Techniken (wieder)entdeckt, die heute in modernen quantenoptischen Labors Standard sind. Dies zeigt, dass Maschinen in Zukunft auch eine kreativ unterstützende Rolle in der Forschung einnehmen könnten.

In unseren Taschen stecken Smartphones, auf den Straßen fahren intelligente Autos, Experimente im Forschungslabor aber werden immer noch ausschließlich von...

Im Focus: Artificial agent designs quantum experiments

On the way to an intelligent laboratory, physicists from Innsbruck and Vienna present an artificial agent that autonomously designs quantum experiments. In initial experiments, the system has independently (re)discovered experimental techniques that are nowadays standard in modern quantum optical laboratories. This shows how machines could play a more creative role in research in the future.

We carry smartphones in our pockets, the streets are dotted with semi-autonomous cars, but in the research laboratory experiments are still being designed by...

Im Focus: Fliegen wird smarter – Kommunikationssystem LYRA im Lufthansa FlyingLab

• Prototypen-Test im Lufthansa FlyingLab
• LYRA Connect ist eine von drei ausgewählten Innovationen
• Bessere Kommunikation zwischen Kabinencrew und Passagieren

Die Zukunft des Fliegens beginnt jetzt: Mehrere Monate haben die Finalisten des Mode- und Technologiewettbewerbs „Telekom Fashion Fusion & Lufthansa FlyingLab“...

Im Focus: Ein Atom dünn: Physiker messen erstmals mechanische Eigenschaften zweidimensionaler Materialien

Die dünnsten heute herstellbaren Materialien haben eine Dicke von einem Atom. Sie zeigen völlig neue Eigenschaften und sind zweidimensional – bisher bekannte Materialien sind dreidimensional aufgebaut. Um sie herstellen und handhaben zu können, liegen sie bislang als Film auf dreidimensionalen Materialien auf. Erstmals ist es Physikern der Universität des Saarlandes um Uwe Hartmann jetzt mit Forschern vom Leibniz-Institut für Neue Materialien gelungen, die mechanischen Eigenschaften von freitragenden Membranen atomar dünner Materialien zu charakterisieren. Die Messungen erfolgten mit dem Rastertunnelmikroskop an Graphen. Ihre Ergebnisse veröffentlichen die Forscher im Fachmagazin Nanoscale.

Zweidimensionale Materialien sind erst seit wenigen Jahren bekannt. Die Wissenschaftler André Geim und Konstantin Novoselov erhielten im Jahr 2010 den...

Im Focus: Forscher entschlüsseln zentrales Reaktionsprinzip von Metalloenzymen

Sogenannte vorverspannte Zustände beschleunigen auch photochemische Reaktionen

Was ermöglicht den schnellen Transfer von Elektronen, beispielsweise in der Photosynthese? Ein interdisziplinäres Forscherteam hat die Funktionsweise wichtiger...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Kongress Meditation und Wissenschaft

19.01.2018 | Veranstaltungen

LED Produktentwicklung – Leuchten mit aktuellem Wissen

18.01.2018 | Veranstaltungen

6. Technologie- und Anwendungsdialog am 18. Januar 2018 an der TH Wildau: „Intelligente Logistik“

18.01.2018 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Rittal vereinbart mit dem Betriebsrat von RWG Sozialplan - Zukunftsorientierter Dialog führt zur Einigkeit

19.01.2018 | Unternehmensmeldung

Open Science auf offener See

19.01.2018 | Geowissenschaften

Original bleibt Original - Neues Produktschutzverfahren für KFZ-Kennzeichenschilder

19.01.2018 | Informationstechnologie