Enabling technologies for rare-earth ion quantum memories

• Antragsteller: Professor Dr. Dieter Suter
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 214066583

• Erstellungsjahr: 2019

Zusammenfassung der Projektergebnisse

“Quantum memories”, also Speicher für Quanteninformation bilden einen wichtigen Teil für viele Arten von Quanten-Technologien, besonders für Quantenkommunikation und Quanten-Informationsverarbeitung. Sie ermöglichen die Speicherung von Quanteninformation für genügend lange Zeiten, bis diese mit anderen Informationen kombiniert und weiter verarbeitet werden kann. In diesem Projekt haben wir Technologien entwickelt für die Implementierung von Quanten-Speichern in zwei unterschiedlichen physikalischen Systemen: zunächst seltene-Erd-Ionen, danach das Stickstoff-Leerstellen Zentrum (NV-Zentrum) in Diamant. Diese beiden Systeme besitzen sehr unterschiedliche Eigenschaften, welche für unterschiedliche Anwendungen nützlich sind. Im Falle der seltenen Erden in dielektrischen Kristallen besitzen die elektronischen Übergänge relative lange Lebensdauern und sie ermöglichen die Speicherung von Quanteninformation auch in Kernspins, wo Lebensdauern bis zu mehreren Stunden möglich sind. Die optischen Übergänge ermöglichen außerdem schnelle und flexible Operationen und eine direkte Kopplung zu “fliegenden Qubits” und räumlich getrennten Systemen. Die Realisierung dieses Potenzials verlangt die Wahl eines geeigneten Materials und die Entwicklung von geeigneten Techniken für die Umsetzung. Wir haben verschiedene Materialien untersucht und geeignete Speicher-Techniken entwickelt. Eine dieser Voraussetzungen war eine präzise und quantitative Vermessung des relevanten Hamiltonoperators und der darin enthaltenen Kopplungskonstanten. Außerdem wurden Pulssequenzen für die Speicherung, die Bewahrung und das Auslesen der Information entwickelt, welche robust gegen Störungen und Imperfektionen sind. Der zweite Typ von Speichermedium war das NV-Zentrum im Diamant, welches die Freiheitsgrade eines elektronischen und mehrere Kernspins umfasst. In diesem Fall arbeiten wir mit Einzelspins anstelle von Ensemblen. Dieses System ist leichter und präziser zu kontrollieren und es erlaubt die Speicherung von mehreren qubits. Hingegen ist die Konversion zwischen stationären und fliegenden qubits in diesem Fall schwieriger. Deshalb fokussierten wir unsere Arbeit in diesem Fall auf präzise Initialisierung der qubits, Kontroll-Operationen und den Transfer zwischen unterschiedlichen Arten von qubits.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• "Spin Hamiltonian characterization and refinement for Pr3+:YAlO3 and Pr3+:Y2 SiO5. Phys. Rev. B 85, 014429 (2012)
  M. Lovric, P. Glasenapp, and D. Suter
  
• "Optimal photon energies for initialization of hybrid spin quantum registers of NV centers in diamond" (2019)
  K. R. K. Rao and D. Suter