Photonendoppelgänger in Diamant hergestellt: Identische Lichtteilchen hilfreich für Quantencomputer

Identische Lichtteilchen („Photonen“) könnten den Weg zum leistungsfähigen Quantencomputer und zu einer sicheren Informationsübertragung ebnen. Bisher war die Herstellung von Photonen, die sich nicht unterscheiden, jedoch nur unter schwierigsten Bedingungen möglich.

Jetzt haben Ulmer Wissenschaftler um Professor Fedor Jelezko und Dr. Lachlan Rogers Silizium-Fehlstellenzentren in künstlich hergestellten Diamanten für die Produktion identischer Photonen genutzt. Diese besonderen Diamanten waren Ergebnis eines „Unfalls“ bei dem Kristallzüchter der Forscher. Der entsprechende Fachbeitrag ist in „Nature Communications“ erschienen.

Professor Fedor Jelezko, Leiter des Ulmer Instituts für Quantenoptik, gilt als ausgewiesener Experte für die Manipulation kleinster Teilchen in Festkörpern. Dabei liegt sein Schwerpunkt auf extrem reinen, künstlich hergestellten Diamanten. In ihren Kristallgittern, insbesondere mit dem Stickstoff-Fehlstellen-Zentrum, lassen sich Fremdatome kontrollieren und quantenmechanische Informationen über sie speichern. Diese Fehlstellen senden wiederum Lichtteilchen mit charakteristischen Eigenschaften aus.

Für die aktuelle Publikation haben Forscher testweise Kristalle mit Silizium-Fehlstellenzentren benutzt, die als Mängelexemplare galten: Das Plasma, aus dem die künstlichen Diamanten gezüchtet werden, war kurzzeitig zu groß geworden und hat das Glasfenster aus Siliziumoxid angelöst. So sind Silizium-Atome in das Plasma gelangt und wurden im Laufe des Diamantenwachstums als Silizium-Fehlstellen „eingebaut“.

„Tatsächlich erwiesen sich Silizium-Fehlstellenzentren als zuverlässige Emitter von einzelnen Photonen, die nicht unterscheidbar sind“, erklärt Lachlan Rogers, Wissenschaftler am Institut für Quantenoptik der Universität Ulm. Bisher habe man solche identischen Lichtteilchen in Gasen hergestellt, wobei frei bewegliche Atome kaum kontrolliert werden könnten. Lösung dieses Problems sei ihre Speicherung in Kristallgittern der Diamanten.

Lichtteilchen, die sich in Farbe und Form entsprechen, sind für mehrere „Zukunftstechnologien“ hilfreich. Die Leistungsfähigkeit des Quantencomputers, der zahlreiche Berechnungen gleichzeitig durchführen kann, beruht auf der quantenmechanischen Verschaltung so genannter Qubits. Dazu wird das Phänomen „Verschränkung“ genutzt. Solche hochempfindlichen Verschränkungen können mithilfe von „Photonendoppelgängern“ wesentlich einfacher hergestellt werden. Verschränkungen sind zudem eine wichtige Grundlage für die sichere Informationsübertragung („Quantenkryptographie“).

Weiterhin könnten Lichtteilchen, die sich zuverlässig entsprechen, bildgebende Verfahren verbessern.

„Die größte Herausforderung ist jedoch die Kühlung der Diamanten auf bis zu -270 Grad Celsius“, sagt der Mitautor Kay Daniel Jahnke. In einem nächsten Schritt gelte es außerdem, den so genannten Spin der Silizium-Fehlstellenzentren unter Kontrolle zu bringen.

„Insgesamt ist es uns erstmals gelungen, identische Photonen aus Silizium-Fehlstellenzentren zu produzieren, deren Ursprung nicht nachvollzogen werden kann“, resümiert Professor Jelezko. Damit sei die Voraussetzung für „Verschränkung“ erfüllt.

Die Arbeit der Wissenschaftler aus Ulm und Tsukuba (Japan) ist unter anderem mit Mitteln der Europäischen Union/des europäischen Forschungsrats, der Deutschen Forschungsgemeinschaft und des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) unterstützt worden.

Weitere Informationen:
Kay Daniel Jahnke. Tel.: 0731/50-15705, kay.jahnke@alumni.uni-ulm.de

L. J. Rogers, K. D. Jahnke, T. Teraji, L. Marseglia, C. Müller, B. Naydenov,
H. Schauffert, C. Kranz, J. Isoya, L. P. McGuinness, and F. Jelezko: Multiple intrinsically identical single photon emitters in the solid-state. Nature Communications. DOI: 10.1038/ncomms5739