Auf dem Weg zur Licht-Materie-Quantenschnittstelle: Entwicklung eines Multi-Qubit-Quantenregisters basierend auf paramagnetischen Farbzentren in Diamant

• Antragsteller: Professor Dr. Fedor Jelezko
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 445243414

Das Problem der Erstellung von miteinander verbundenen Quantenregistern über weite Strecken ist nach wie vor eine Herausforderung, trotz der erheblichen Anstrengungen von wissenschaftlichen und kommerziellen Einrichtungen, darunter führende Unternehmen auf dem Markt der IT-Technologien. Eines der vielversprechenden Festkörpermaterialien zur Realisierung von Quantenregistern ist Diamant. Qubits im Diamantquantenregister werden durch elektronische und nukleare Spins in den Systemen realisiert. Die kohärente Kontrolle der Quantenzustände von Spins erfolgt durch Mikrowellen- und Hochfrequenzfelder, und die Vorbereitung und das Lesen von Zuständen erfolgt durch optische Felder, die auf die optischen Übergänge von Farbzentren wirken. Historisch gesehen wurde das NV-Zentrum zunächst als elementares Quantengate vorgeschlagen. Einen wesentlichen Beitrag zur Entwicklung dieser Richtung leisteten die Projektteams der deutschen und russischen Seite. Die wissenschaftliche Neuerung dieses Projekts besteht darin, neue paramagnetische Silizium-Vakanz-Farbzentren in Diamanten einzusetzen, um hocheffiziente Quantenregister zu erstellen, die bei mK-Temperaturen arbeiten. Die vorgeschlagenen Silizium-Vakanz-Farbzentren haben eine deutlich längere optische Kohärenzzeit, und ihre Implantation in monolithische Diamantresonatoren wird die Effizienz der Schnittstelle von Spin-Qubits mit Photonen im Vergleich zu bestehenden Technologien deutlich erhöhen. Gleichzeitig werden die vorgeschlagenen Studien neuer optischer Zentren, die auf Verunreinigungen aus der vierten Gruppe von Elementen (Ge, Sn, Pb) mit Inversionssymmetrie in Diamant basieren, zu der Möglichkeit führen, Quantenregister bei höheren Temperaturen in der Größenordnung von 4K zu betreiben. Das Projekt plant auch, Arbeiten in der "traditionellen" Richtung der Erstellung von Quantenregistern auf der Grundlage der Stickstoff-Leerstellen-Farbzentren durchzuführen. Die Neuheit des vorgeschlagenen Ansatzes liegt in der Idee, dafür die sogenannten "Inseln der Stabilität" zu nutzen - kürzlich entdeckte Positionen im Diamantkristallgitter, die ein hohes Maß an Kohärenz für die Drehungen der in diesen Positionen platzierten isotopen Kohlenstoff-Atome bieten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Russische Föderation, Weißrussland
• Partnerorganisation: Russian Science Foundation, bis 3/2022
• Kooperationspartner: Dr. Alexander P. Nizovtsev