Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Neuer Quantenspeicher in Sicht

18.04.2014

Mit empfindlichen Messungen lassen sich Signale eines einzelnen Ions in einem Kristall registrieren

Als Kandidat für einen Quantenspeicher positioniert sich ein vielversprechendes Material. Einem Team des Max-Planck-Instituts für die Physik des Lichts in Erlangen ist es erstmals gelungen, einzelne Ionen seltener Erden in einem Kristall präzise zu lokalisieren und ihre quantenmechanischen Energiezustände genau zu vermessen.


Speicherkandidat mit leuchtender Zukunft: Max-Planck-Forscher haben mit ausgeklügelter Mikroskopie- und Lasertechnik einzelne Praseodymionen im Kristall eines Yttriumorthosilikats adressiert. Das eröffnet die Möglichkeit, Quanteninformation in diesen Ionen zu speichern, die gegenüber anderen Speicherkandidaten einige Vorteile haben.

© MPI für die Physik des Lichts

Mit Hilfe ausgefeilter Laser- und Mikroskopietechnik haben sie die Position dreifach positiv geladener Praseodymatome (Pr3+) in einem Yttriumorthosilikat auf wenige Nanometer genau bestimmt und ihre schwache Wechselwirkung mit Licht untersucht. Die Arbeit kann einen wichtigen Beitrag für künftige Quantencomputer leisten – denn die untersuchten Ionen eignen sich unter anderem zum Speichern und Verarbeiten von Quanteninformationen.

Weltweit arbeiten zahlreiche Wissenschaftler an Bausteinen für künftige Quantencomputer, mit denen sich Informationen wesentlich schneller als heute verarbeiten lassen. Zu den zentralen Elementen dieser Superrechner gehören Quantensysteme mit atomähnlichen optischen Eigenschaften – darum stehen derzeit Quantenpunkte oder lichterzeugende Defekte („Color Centers“) in Diamanten im Mittelpunkt des Interesses vieler Forscher.

Allerdings sind ihre Eigenschaften nicht optimal für den Einsatz in Quantencomputern: „Manche der Lichtquellen verlieren ihre Leuchtkraft oder flackern auf unkontrollierte Weise“, erklärt Vahid Sandoghdar, der die Abteilung Nanooptik am Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts in Erlangen leitet. „Andere werden stark von der Umgebung gestört, in die sie eingebettet sind.“

Forscher sehen die Signale eines einzelnen Ions

Schon lange war bekannt, dass die Ionen Seltener Erden wie Neodym oder Erbium nicht unter solchen Problemen leiden – darum spielen sie heute in Lasern und Laserverstärkern eine zentrale Rolle. Allerdings geben sie nur wenig Licht ab und sind darum sehr schwer zu detektieren. Genau das ist Tobias Utikal, Emanuel Eichhammer und Stephan Götzinger aus Sandoghdars Gruppe in Erlangen nun aber gelungen:

Nach mehr als sechs Jahren intensiver Forschung konnten sie einzelne Ionen des Seltenerdmetalls Praseodym nachweisen, auf wenige Nanometer genau lokalisieren und ihre optischen Eigenschaften mit bisher nie erreichter Genauigkeit vermessen. Mit ihrem Experiment ist es ihnen gelungen, die Signale eines einzelnen Pr3+-Ions zu sehen.

Die dreifach positiv geladenen Ionen waren in winzige Mikro- und Nanokristalle aus Yttriumorthosilikat (YSO) eingebettet. Je nach ihrer Position im Kristall schwankte ihre Energie minimal – sie reagierten auf leicht unterschiedliche Frequenzen. Das nutzten die Wissenschaftler, um mit einem Laser einzelne Ionen in den Kristallen anzuregen und zu beobachten, wie sie die Energie nach einiger Zeit in Form von Lichtstrahlen wieder abgeben.

„Weil die Ionen der Seltenen Erden nicht stark von den thermischen und akustischen Schwingungen des Kristalls beeinflusst werden, sind einige ihrer Energiezustände ungewöhnlich stabil“, sagt Sandoghdar. „Es dauert länger als eine Minute, bevor sie wieder in den Grundzustand übergehen – millionenfach länger als bei den meisten anderen heute untersuchten Quantensystemen.“ Da sich in den verschiedenen Energiezuständen eines Atoms oder Ions Quanteninformation speichern lässt, eignen sich die Pr3+-Ionen beispielsweise als Speicher für Quantencomputer.

In Zukunft sollen die Signale der Ionen noch besser zu sehen sein. Da ein einzelnes Ion im Moment mit weniger als 100 Photonen pro Sekunde antwortet, wollen die Erlanger Wissenschaftler das Praseodym-Signal mit Nano-Antennen und Mikro-Resonatoren um das Hundert- oder Tausendfache verstärken.

Ansprechpartner 

Ph.D., Prof. Vahid Sandoghdar
Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts, Erlangen
Telefon: +49 09131 6877-200
Fax: +49 09131 6877-209
E-Mail:vahid.sandoghdar@mpl.mpg.de
 

Originalpublikation

 
Tobias Utikal, Emanuel Eichhammer, Lutz Petersen, Alois Renn, Stephan Götzinger und Vahid Sandoghdar
Nature communications, 11. April 2014; doi:10.1038/ncomms4627

Ph.D., Prof. Vahid Sandoghdar | Max-Planck-Institut
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de/8137205/quantenspeicher_praseodymion_kristall

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Sterngeburt in den Winden supermassereicher Schwarzer Löcher
28.03.2017 | ESO Science Outreach Network - Haus der Astronomie

nachricht Das anwachsende Ende der Ordnung
27.03.2017 | Universität Konstanz

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: Entwicklung miniaturisierter Lichtmikroskope - „ChipScope“ will ins Innere lebender Zellen blicken

Das Institut für Halbleitertechnik und das Institut für Physikalische und Theoretische Chemie, beide Mitglieder des Laboratory for Emerging Nanometrology (LENA), der Technischen Universität Braunschweig, sind Partner des kürzlich gestarteten EU-Forschungsprojektes ChipScope. Ziel ist es, ein neues, extrem kleines Lichtmikroskop zu entwickeln. Damit soll das Innere lebender Zellen in Echtzeit beobachtet werden können. Sieben Institute in fünf europäischen Ländern beteiligen sich über die nächsten vier Jahre an diesem technologisch anspruchsvollen Projekt.

Die zukünftigen Einsatzmöglichkeiten des neu zu entwickelnden und nur wenige Millimeter großen Mikroskops sind äußerst vielfältig. Die Projektpartner haben...

Im Focus: A Challenging European Research Project to Develop New Tiny Microscopes

The Institute of Semiconductor Technology and the Institute of Physical and Theoretical Chemistry, both members of the Laboratory for Emerging Nanometrology (LENA), at Technische Universität Braunschweig are partners in a new European research project entitled ChipScope, which aims to develop a completely new and extremely small optical microscope capable of observing the interior of living cells in real time. A consortium of 7 partners from 5 countries will tackle this issue with very ambitious objectives during a four-year research program.

To demonstrate the usefulness of this new scientific tool, at the end of the project the developed chip-sized microscope will be used to observe in real-time...

Im Focus: Das anwachsende Ende der Ordnung

Physiker aus Konstanz weisen sogenannte Mermin-Wagner-Fluktuationen experimentell nach

Ein Kristall besteht aus perfekt angeordneten Teilchen, aus einer lückenlos symmetrischen Atomstruktur – dies besagt die klassische Definition aus der Physik....

Im Focus: Wegweisende Erkenntnisse für die Biomedizin: NAD⁺ hilft bei Reparatur geschädigter Erbinformationen

Eine internationale Forschergruppe mit dem Bayreuther Biochemiker Prof. Dr. Clemens Steegborn präsentiert in 'Science' neue, für die Biomedizin wegweisende Forschungsergebnisse zur Rolle des Moleküls NAD⁺ bei der Korrektur von Schäden am Erbgut.

Die Zellen von Menschen und Tieren können Schäden an der DNA, dem Träger der Erbinformation, bis zu einem gewissen Umfang selbst reparieren. Diese Fähigkeit...

Im Focus: Designer-Proteine falten DNA

Florian Praetorius und Prof. Hendrik Dietz von der Technischen Universität München (TUM) haben eine neue Methode entwickelt, mit deren Hilfe sie definierte Hybrid-Strukturen aus DNA und Proteinen aufbauen können. Die Methode eröffnet Möglichkeiten für die zellbiologische Grundlagenforschung und für die Anwendung in Medizin und Biotechnologie.

Desoxyribonukleinsäure – besser bekannt unter der englischen Abkürzung DNA – ist die Trägerin unserer Erbinformation. Für Prof. Hendrik Dietz und Florian...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Industriearbeitskreis »Prozesskontrolle in der Lasermaterialbearbeitung ICPC« lädt nach Aachen ein

28.03.2017 | Veranstaltungen

Neue Methoden für zuverlässige Mikroelektronik: Internationale Experten treffen sich in Halle

28.03.2017 | Veranstaltungen

Wie Menschen wachsen

27.03.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Von Agenten, Algorithmen und unbeliebten Wochentagen

28.03.2017 | Unternehmensmeldung

Hannover Messe: Elektrische Maschinen in neuen Dimensionen

28.03.2017 | HANNOVER MESSE

Dimethylfumarat – eine neue Behandlungsoption für Lymphome

28.03.2017 | Medizin Gesundheit