Diamanter koblet ved hjælp af kvantefysik

Atomfejl i diamanter kan bruges som kvantehukommelser. Det er lykkedes forskere ved TU Wien for første gang at koble defekterne i forskellige diamanter ved hjælp af kvantefysik.

Diamanter med små fejl kan spille en afgørende rolle i fremtiden for kvanteteknologi. For nogen tid nu, forskere ved TU Wien har undersøgt kvanteegenskaberne af sådanne diamanter, men først nu er det lykkedes dem at koble de specifikke defekter i to sådanne diamanter med hinanden. Dette er en vigtig forudsætning for udvikling af nye applikationer, såsom meget følsomme sensorer og switches til kvantecomputere. Resultaterne af forskningen vil nu blive offentliggjort i tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve .

På jagt efter et passende kvantesystem

"Desværre, kvantetilstande er meget skrøbelige og henfalder meget hurtigt ", forklarer Johannes Majer, leder af hybridkvanteforskningsgruppen, baseret på Institute of Atomic and Subatomic Physics ved TU Wien. Af denne grund, der udføres grundig forskning med det formål at finde kvantesystemer, der kan bruges til tekniske applikationer. Selvom der er nogle lovende kandidater med særlige fordele, indtil nu har der ikke været noget system, der opfylder alle kravene samtidigt.

"Diamanter med meget specifikke defekter er en potentiel kandidat til at gøre kvantecomputere til virkelighed", siger Johannes Majer. En ren diamant består udelukkende af carbonatomer. I nogle diamanter, imidlertid, der kan være punkter, hvor der er et nitrogenatom i stedet for et carbonatom og nærliggende dette, inden for diamantens atomstruktur, der er en anomali, hvor der slet ikke er noget atom - dette kaldes en 'ledig stilling'. Denne defekt, bestående af nitrogenatomet og ledig stilling, danner et kvantesystem med en meget langvarig tilstand, at lave diamanter med disse særlige fejl ideelt egnet til kvanteeksperimenter.

Det hele afhænger af koblingen

En vigtig forudsætning for mange kvanteteknologiske anvendelser er faktisk evnen til at koble sådanne kvantesystemer sammen, hvilket hidtil næsten ikke har været muligt for diamantsystemer. "Samspillet mellem to sådanne mangler ved nitrogen-tomrum er ekstremt svagt og har kun en rækkevidde på omkring 10 nanometer", siger Majer.

Imidlertid, denne bedrift er nu opnået; omend ved hjælp af en superledende kvantechip, der producerer mikrobølgestråling. I en årrække nu, teamet på TU Wien har undersøgt, hvordan diamanter kan manipuleres ved hjælp af mikrobølger:"milliarder af nitrogen-ledige defekter i diamanter er koblet sammen med et mikrobølgeområde", siger Majer. "På denne måde, diamanternes kvantetilstand kan manipuleres og læses op. "

Nu, det er lykkedes teamet at tage det næste skridt:de var i stand til at koble to forskellige diamanter, en i hver ende af chippen, og dermed frembringe en vekselvirkning mellem de to diamanter. "Denne interaktion medieres af mikrobølgeresonatoren i chippen imellem; her, resonatoren spiller en lignende rolle som en databus i en almindelig computer ", siger Johannes Majer.

Koblingen mellem de to diamanter kan slås selektivt til og fra:"de to diamanter roteres mod hinanden i en bestemt vinkel", beretter Thomas Astner, hovedforfatter til det aktuelle værk. "Derudover et magnetfelt påføres, hvor retningen spiller en afgørende rolle:hvis begge diamanter er justeret i samme vinkel inden for magnetfeltet, så kan de kobles ved hjælp af kvantefysik. Med andre magnetfeltretninger, det er muligt at undersøge de enkelte diamanter uden kobling ". De første trin i forsøget blev taget af Noomi Peterschofsky som en del af hendes bacheloropgave. Thomas Astner og Stefan Nevlacsil lykkedes efterfølgende at demonstrere koblingen af ​​diamanterne i et forsøg som en del af deres kandidatafhandling.