Forscher:innen der HU und des Ferdinand-Braun-Instituts kommen dem Quanteninternet einen wichtigen Schritt n?her
Diamant ist von gro?er Bedeutung für Zukunftstechnologien wie das Quanteninternet. Spezielle Defektzentren k?nnen als Quantenbits (Qubits) genutzt werden und einzelne Photonen aussenden. Um eine Datenübertragung mit praktikablen Kommunikationsraten über weite Distanzen im Quantennetzwerk zu erm?glichen, müssen alle Photonen in Glasfasern eingesammelt und übermittelt werden, ohne verloren zu gehen. Dabei muss au?erdem gew?hrleistet werden, dass diese Photonen alle die gleiche Farbe, also die gleiche Frequenz, haben. Dies war bisher unm?glich.
Forscher:innen der Arbeitsgruppe ?Integrierte Quantenphotonik“ unter der Leitung von Prof. Dr. Tim Schr?der an der Humboldt-Universit?t zu Berlin ist es weltweit zum ersten Mal gelungen, Photonen mit stabilen Photonenfrequenzen zu erzeugen und nachzuweisen, die von Quantenlichtquellen, oder, genauer gesagt, von Stickstoff-Fehlstellen-Defektzentren in Diamantnanostrukturen emittiert wurden. Dies wurde durch eine sorgf?ltige Wahl des Diamantmaterials, hochentwickelte Nanofabrikationsmethoden durchgeführt im Joint Lab Diamant Nanophotonik des Ferdinand-Braun-Instituts, Leibniz-Institut für H?chstfrequenztechnik und spezielle experimentelle Kontrollprotokolle erm?glicht. Durch die Kombination der Methoden kann das Rauschen der Elektronen, das bisher die Datenübertragung gest?rt hat, signifikant reduziert werden und die Photonen werden auf einer stabilen (Kommunikations-) Frequenz ausgesendet.
Zudem zeigen die Berliner Forscher:innen, dass man perspektivisch mit Hilfe der entwickelten Methoden die gegenw?rtigen Kommunikationsraten zwischen r?umlich getrennten Quantensystemen mehr als 1000-fach erh?hen kann, so dass sie einem zukünftigen Quanteninternet einen wichtigen Schritt n?her gekommen sind.
Die Wissenschaftler:innen haben einzelne Qubits in optimierte Diamantnanostrukturen integriert. Diese Strukturen sind 1000-mal dünner als ein menschliches Haar und erm?glichen es, einzelne ausgesendete Lichtteilchen in Glasfasern gerichtet zu überführen. Bei der Herstellung der Nanostrukturen wird allerdings die Materialoberfl?che auf atomarer Ebene besch?digt und freie Elektronen erzeugen unkontrollierbare St?rungen für die erzeugten Lichtteilchen. Ein Rauschen, das vergleichbar ist mit einer unstabilen Radiofrequenz, führt zu Schwankungen in der Photonenfrequenz und verhindert somit erfolgreiche Quantenoperationen, wie beispielsweise Verschr?nkung.
Eine Besonderheit in dem genutzten Diamantmaterial ist, dass relativ viele Fremdatome (Stickstoff) in dem Kristallgitter vorhanden sind. Diese schirmen m?glicherweise die Quantenlichtquelle von St?relektronen an der Oberfl?che der Nanostruktur ab. ?Die genauen physikalischen Prozesse müssen allerdings in Zukunft noch n?her untersucht werden“, erkl?rt Laura Orphal-Kobin, die gemeinsam mit Prof. Dr. Tim Schr?der an den Quantensystemen forscht. Unterstützt werden die Schlussfolgerungen aus den experimentellen Beobachtungen mit statistischen Modellen und Simulationen, die Dr. Gregor Pieplow aus der gleichen Forschungsgruppe gemeinsam mit den Experimentator:innen entwickelt und implementiert.
Publikation
Optically Coherent Nitrogen-Vacancy Defect Centers in Diamond Nanostructures
Laura Orphal-Kobin, Kilian Unterguggenberger, Tommaso Pregnolato, Natalia Kemf, Mathias Matalla, Ralph-Stephan Unger, Ina Ostermay, Gregor Pieplow, und Tim Schr?der
Physical Review X (2023)
Link zur Publikation?
DOI: 10.1103/PhysRevX.13.011042
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Laura Orphal-Kobin
Tel: 030 2093 82146
Prof. Dr. Tim Schr?der
Tel.: 030 2093 82140
tim.schroeder@physik-hu-berlin.de
Humboldt-Universit?t zu Berlin, Institut für Physik,
AG Integrierte Quantenphotonik, Ferdinand-Braun-Institut,
Joint Lab Diamond Nanophotonics,?
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