Forscher machen mit Diamant-Nanostrukturen einen wichtigen Schritt in Richtung Quanteninternet

Diamantmaterial ist von großer Bedeutung für Zukunftstechnologien wie das Quanteninternet. Spezielle Defektzentren können als Quantenbits (Qubits) genutzt werden und emittieren einzelne Lichtteilchen, die als einzelne Photonen bezeichnet werden.

Um in einem Quantennetzwerk eine Datenübertragung mit machbaren Kommunikationsraten über lange Distanzen zu ermöglichen, müssen alle Photonen in Glasfasern gesammelt und verlustfrei übertragen werden. Außerdem muss darauf geachtet werden, dass diese Photonen alle die gleiche Farbe, also die gleiche Frequenz haben. Diese Anforderungen zu erfüllen war bisher unmöglich.

Forschern der Gruppe „Integrierte Quantenphotonik“ um Prof. Dr. Tim Schröder an der Humboldt-Universität zu Berlin ist es weltweit erstmals gelungen, von Quantenlichtquellen emittierte Photonen mit stabilen Photonenfrequenzen zu erzeugen und zu detektieren, genauer gesagt, aus Stickstoff-Fehlstellen-Defektzentren in Diamant-Nanostrukturen.

Dies wurde durch die sorgfältige Auswahl des Diamantmaterials ermöglicht; ausgefeilte Nanofabrikationsmethoden, durchgeführt am Joint Lab Diamond Nanophotonics des Ferdinand-Braun-Instituts, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik; und spezifische experimentelle Kontrollprotokolle. Durch die Kombination dieser Verfahren lässt sich das Rauschen der Elektronen, das bisher die Datenübertragung störte, deutlich reduzieren und die Photonen werden mit einer stabilen (Kommunikations-)Frequenz emittiert.

Darüber hinaus zeigen die Berliner Forscher, dass sich die derzeitigen Kommunikationsraten zwischen räumlich getrennten Quantensystemen mit Hilfe der entwickelten Methoden voraussichtlich um mehr als das 1.000-fache steigern lassen – ein wichtiger Schritt in Richtung eines zukünftigen Quanteninternets.

Die Wissenschaftler haben einzelne Qubits in optimierte Diamant-Nanostrukturen integriert. Diese Strukturen sind 1.000-mal dünner als ein menschliches Haar und ermöglichen es, emittierte Photonen gezielt in Glasfasern zu übertragen.

Während der Herstellung der Nanostrukturen wird die Materialoberfläche jedoch auf atomarer Ebene beschädigt, und freie Elektronen erzeugen ein unkontrollierbares Rauschen für die erzeugten Lichtteilchen. Rauschen, vergleichbar mit einer instabilen Radiofrequenz, verursacht Schwankungen in der Photonenfrequenz und verhindert erfolgreiche Quantenoperationen wie Verschränkung.

Eine Besonderheit des verwendeten Diamantmaterials ist seine relativ hohe Dichte an Stickstoff-Fremdatomen im Kristallgitter. Diese schirmen möglicherweise die Quantenlichtquelle vor Elektronenrauschen an der Oberfläche der Nanostruktur ab. „Allerdings müssen die genauen physikalischen Vorgänge in Zukunft noch genauer untersucht werden“, erklärt Laura Orphal-Kobin, die gemeinsam mit Prof. Dr. Tim Schröder Quantensysteme erforscht.

Die aus den experimentellen Beobachtungen gezogenen Schlussfolgerungen werden durch statistische Modelle und Simulationen gestützt, die Dr. Gregor Pieplow aus derselben Forschungsgruppe gemeinsam mit den Experimentalphysikern entwickelt und umsetzt.

Die Arbeit wird in der Zeitschrift veröffentlicht Körperliche Überprüfung X.