Qubits in isotopenangereichertem 28Si

• Antragsteller: Professor Dr. Michael Oestreich
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 496720564

Isotopenreines 28Si ist ein faszinierendes Materialsystem bezüglich spinbasierten Quantenbauelementen. Qubits auf Basis von Elektronen und Kernen besitzen in 28Si:P extrem lange Spinrelaxations- und -dephasierungszeiten und gehören zu den vielversprechendsten Kandidaten für eine halbleiterbasierte Quanteninformationstechnologie. Eine Herausforderung ist dabei die effiziente Initialisierung der Elektronen- und Kernspins, welche auf dem optischen Pumpen der Phosphorübergänge basiert. Die Linienbreiten dieser Übergänge gehören zu den schmalsten in Halbleitern, weshalb der optisch erzeugte Spinpolarisationsgrad bereits jetzt relativ hoch ist, ohne jedoch die angestrebten 100 % auch nur näherungsweise zu erreichen. Die Ursache dafür hängt höchstwahrscheinlich mit dem beobachteten Brennen von spektralen Löchern zusammen. Das erste Ziel dieses Antrages ist daher ein tiefgreifendes Verständnis der nichttrivialen Physik des spektralen Lochbrennens in 28Si:P. Die Thewalt-Gruppe beobachtete in Dauerstrichexperimenten Linienbreiten beim Lochbrennen, deren minimale Breite einen Faktor vier größer war als die aus der Lebensdauer der donatorgebundenen Trionen berechnete. Die Ursache dafür ist noch ungeklärt, könnte aber an einer Kombination aus (a) der Wechselwirkung von optisch erzeugten freien Elektronen und Löchern, (b) der Fluktuation interner elektrischer Felder aufgrund der unvermeidbaren, p-Hintergrunddotierung, und (c) der Elektron-Elektron-Wechselwirkung liegen. Wir werden daher die einzelnen Beiträge quantitative mit zeitaufgelöster Absorption klassifizieren und anschließend mit diesen Informationen (a) die optisch induzierte Spinpolarisation auf >>99 % steigern und (b) energetisch separierte Spin-Subensembles in das donatorgebundene Elektronenensemble schreiben.Das zweite Ziel ist die Verschränkung von makroskopischen Donator-Spinensemblen. Wir werden die optimierte Spininitialisierung nutzen und zwei, räumlich getrennte, makroskopische Spinensemble in das 28Si schreiben. Anschießend werden wir diese Spinensemble mittels eines optischen Pulses verschränken und diese Verschränkung mit einer spinrauschähnlichen Technik verifizieren. Verschränkung von einem einzelnen Elektronen-Spinensemble mit dem dazugehörigen P-Kernspinensemble wurde bereits gezeigt, die Verschränkung von zwei räumlich getrennten makroskopischen Donatorelektron-Spinensemblen nicht.Phosphorbasierte Donatoren in 28Si sind exzellente Kandidaten für Qubits. Aber einzelne, optische aktive Defekte, welche isoliert und hell sind und gleichzeitig bei identischen Wellenlängen in einem der Telekom-Bänder emittieren, würde zusätzlich die Implementierung von skalierbarer Si-Quantenphotonik ermöglichen. Jüngste Messungen an mit Kohlenstoff implantierten Silizium zeigen solche Einzelphotonenemittern, bei denen allerdings die Wellenlänge von Emitter zu Emitter stark variiert. Das Auffinden von Einzelphotonenemittern mit identischen Wellenlängen in 28Si ist daher das dritte Ziel.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen