Diamanten, die besten Freunde der Quantenwissenschaft

© Michael Trupke

© Michael Trupke

WissenschafterInnen messen Quantenzustand in Diamanten

Mithilfe von Kunstdiamanten gelang in einer internationalen Forschungskollaboration unter Beteiligung von WissenschafterInnen der Universität Wien um Quantenphysiker Michael Trupke ein weiterer wichtiger Schritt in Richtung Hightech-Anwendung von Quantentechnologie: Erstmals konnten WissenschafterInnen den Quantenzustand eines einzelnen Qubits, die Grundeinheit der Quanteninformation, in Diamanten elektrisch messen. Ihre Ergebnisse erscheinen aktuell in der renommierten Fachzeitschrift Science veröffentlicht.

Quantentechnologie gilt als die Technologie der Zukunft. Die wesentlichen Bausteine für Quantengeräte sind Qubits, die viel mehr Informationen verarbeiten können als die klassischen Bits in unseren derzeitigen Computern. WissenschafterInnen aus aller Welt sind auf der Suche nach dem besten Weg, Qubits herzustellen und sie gemäß der Quantengesetze miteinander zu verbinden. Die meisten Qubits, die bisher gebaut wurden, werden mit supraleitenden elektronischen Schaltungen hergestellt. Diese Schaltkreise haben jedoch einen großen Nachteil: Sie arbeiten nur bei kryogenen Temperaturen um - 273 °C, das sind künstlich extrem gekühlte Temperaturen knapp über dem absoluten Nullpunkt.

Diamanten - der Schlüssel zum Erfolg
Nun gelang es ForscherInnen, Qubits in Kunstdiamanten herzustellen, die auch bei Raumtemperatur betriebsfähig und elektrisch auslesbar sind. Perfekte Diamanten bestehen ausschließlich aus Kohlenstoffatomen. Um ein Qubit zu erzeugen, werden zwei dieser Atome entfernt. Eines davon ersetzten sie durch ein Stickstoffatom, das andere hingegen wird gar nicht ersetzt, so dass ein leerer Raum - die so genannte Vakanz - zurückbleibt. Die Kombination von Stickstoff und Vakanz bildet das so genannte NV-Zentrum, ein Spin-Qubit. Um Qubits in Diamant herzustellen, muss man die Diamantreinheit unter 0,1 Teile pro Milliarde Verunreinigungen verbessern. Da diese Diamant-Qubits bei Raumtemperatur funktionieren können, lassen sie sich viel einfacher in technologische Anwendungen, zum Beispiel Quantensensoren, umsetzen. Dafür musste bisher eine aufwändige optische Messung angewendet werden, für die man starke Mikroskop-Objektive und teure Einzelphotonendetektoren brauchte. Den WissenschafterInnen ist es nun gelungen, den Quantenzustand eines einzelnen Qubits elektrisch zu messen. Dies gelang mittels sogenannter Photoelektronen, die durch optische Anregung erzeugt werden. Deren Anzahl hängt vom Zustand des Qubits ab, und lässt sich auf vergleichsweise einfache Weise durch eine elektrische Widerstandsmessung erfassen. Die Methode ist nicht nur deutlich praktikabler: Sie verspricht auch wesentlich schneller zu sein. Dies ist besonders für Quantensensorik ein sehr wichtiger Vorteil.

Unendliche Möglichkeiten
Mit ihrer Entdeckung sind die ForscherInnen dem Thema Hightech-Anwendungen einen Schritt näher gekommen: "Mit dieser Methode werden kompakte, extrem empfindliche Quantensensoren im Chip-Format denkbar, mit möglichen Anwendungen unter anderem in Grundlagenforschung, Materialanalyse, und Biochemie", so Michael Trupke, Ko-Autor der Studie von der Universität Wien. Zudem könnte die Methode auch die Messung von Qubits in einem Diamant-Quantencomputer verbessern und beschleunigen.
Diese Forschung wurde gefördert durch das Forschungsund Innovationsprogramm Quantum Flagship of the European Union’s Horizon 2020, das Projekt ASTERIQS, das FWO DIAQUANT SBO-Projekt und das QUANTERA-Projekt Q_Magine und andere nationale Programme in Deutschland, Japan und Österreich.

Publikation in Science:
Photoelectrical imaging and coherent spin-state readout of single nitrogen-vacancy centers in diamond, P. Siyushev et al.. Vol. 363, Issue 6428, pp. 728-731
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