Wien – Vor einigen Jahren zeigten Forscher der Technischen Universität (TU) Wien, wie sich Defekte in Diamanten und Mikrowellen koppeln lassen. Solche hybriden Systeme gelten als Zukunftshoffnung für Quantentechnologien, weil sie die Vorteile verschiedener Quantensysteme vereinen. Nun ist es den Physikern gelungen, mittels Mikrowellen die Defekte in zwei verschiedenen Diamanten zu koppeln.

In Zukunft könnten Quantencomputer die Leistung herkömmlicher Rechner drastisch übertreffen und die Quantenkommunikation eine abhörsichere Übertragung von Information ermöglichen. Wie solche Technologien realisiert werden können, ist noch unklar. Es konkurrieren verschiedene Konzepte mit unterschiedlichen Quantensystemen, etwa Photonen, in elektromagnetischen Fallen gehaltene Ionen, winzige Defekte in Festkörpern wie Diamanten oder sogenannte supraleitenden Quantenbits.

"Man kann nicht sagen, welches System besser ist, jedes hat seine Vorzüge – das ist ungefähr wie Windows gegen Mac oder iOS gegen Android", sagte Johannes Majer, der die Hybrid-Quantum-Forschungsgruppe am Atominstitut der TU Wien leitet. Er arbeitet seit Jahren an der sukzessiven Verbesserung eines hybriden Systems, in dem Diamanten mit winzigen Defekten mit Mikrowellen gekoppelt sind.

Nützliche Verunreinigungen

Diamant ist idealerweise ausschließlich aus Kohlenstoffatomen aufgebaut. In der Realität gibt es aber immer Verunreinigungen, die man aber nutzen kann. Bei einem der bestuntersuchten Defekte sitzen an manchen Stellen des Kristallgitters Stickstoff-Atome mit einer Leerstelle in unmittelbarer Nachbarschaft. Ein solches Konstrukt nennt sich NV-Zentrum (N für Stickstoff und V für den englischen Begriff Fehlstelle: vacancy) und bildet ein Quantensystem.

Über den Eigendrehimpuls, den sogenannten Spin, der Stickstoff-Atome kann Quanteninformation in solchen Diamanten gespeichert werden. Indem sie einen Mikrowellenresonator an den Diamanten koppelten, konnten die Wissenschafter diese Information über die Mikrowellen-Photonen einschreiben oder auslesen.

Es war bisher aber kaum möglich, zwei solche Diamant-Quantensysteme miteinander zu koppeln. Der Grund dafür ist, dass die Wechselwirkung zwischen zwei NV-Zentren extrem schwach ist und nur eine Reichweite von etwa zehn Nanometer hat, so Majer. Im Fachjournal "Physical Review Letters" berichten die Physiker nun, wie sie mit Hilfe eines supraleitenden Quantenchips, in dem Mikrowellen erzeugt werden, zwei verschiedene Diamanten an den beiden Enden des Chips koppeln.

Weitere Übertragung

Die dabei entstehende Wechselwirkung zwischen den beiden Diamanten lässt sich gezielt ein- und ausschalten und wird vom Mikrowellen-Resonator im Chip vermittelt. "Der fungiert damit ähnlich wie ein Datenbus zwischen zwei Arbeitsspeichern", so Majer. Statt nur über ein paar Nanometer, kann Information so über einige Zentimeter übertragen werden. Wenn das System gekoppelt ist, verhalte es sich wie ein einziger großer Diamant, so Majer. (APA, 10.4.2017)