Per Spiegel zu besseren Lichtteilchen

  • 12. September 2017

Photonen-Ausbeute an Stickstoff-Fehlstellen von drei auf fünfzig Prozent gesteigert.

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

Photonenquelle

Abb.: NV-Zentren in Diamanten haben die besondere Eigen­schaft, dass der Zustand des Elek­tronen­spins über die von ihnen aus­ge­sen­deten Licht­teilchen aus­ge­lesen werden können. (Bild: U. Basel)

Für die Quanteninformationsverarbeitung sind NV-Zentren besonders inte­ressant, weil sich damit ein­zelne 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. Daniel Riedel von der Uni Basel ist es jetzt gelungen, die Aus­beute der ver­wend­baren Photonen dieser NV-Zentren von bisher drei auf fünfzig Prozent zu steigern. Zudem konnte Riedel die Rate, mit der die Photonen emit­tiert werden, fast ver­doppeln.

Er erreichte die signifikanten Verbesserungen, indem er einen nur einige hundert 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. „Wir haben eine wichtige Hürde auf dem Weg zum Quanten­internet genommen“, erklärt Richard War­burton von der Uni Basel. Und sein Kollege Patrick Male­tinsky ergänzt: „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 zehn Jahren beste­hende Heraus­forde­rung erst­mals meistern konnten.“

U. Basel / RK

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