Lichtteilchen werden durch Spiegel deutlich besser
Basel – Physiker der Universität Basel haben die Qualität einzelner Lichtteilchen (Photonen), die durch ein Quantensystem generiert werden, drastisch verbessert. Sie konnten damit eine zehn Jahre alte theoretische Vorhersage erfolgreich umsetzen. Mit dieser Arbeit, die kürzlich im Fachmagazin «Physical Review X» veröffentlicht wurde, kommen sie künftigen Anwendungen in der Quanteninformationstechnologie einen wichtigen Schritt näher.
NV-Zentren wichtig
Seit einigen Jahren arbeiten Wissenschaftler daran, den Spin von Elektronen zu nutzen, um damit Informationen zu speichern und zu verarbeiten. Ein möglicher Ansatz ist es, ein Quantensystem zu nutzen, bei dem der Quantenzustand des Elektronenspins mit demjenigen von ausgesandten Lichtteilchen verbunden ist. Als bewährte Struktur für diesen Ansatz, in der sich Elektronenspins leicht auslesen und manipulieren lassen, gelten Stickstoff-Fehlstellenzentren (NV-Zentren). Dabei handelt es sich um natürliche Defekte im Kristallgitter von künstlichen Diamanten.
Für die Quanteninformationsverarbeitung sind NV-Zentren besonders interessant, weil sich damit einzelne Lichtteilchen (Photonen) aussenden lassen, die Informationen über den Zustand ihres Elektronenspins mit sich tragen. Diese Photonen wiederum können dadurch eine quantenmechanische Verschränkung zwischen verschiedenen NV-Zentren herstellen, die auch über grosse Distanzen bestehen bleibt und somit zur Datenübertragung genutzt werden kann. Für eine Verwendung in der Quanteninformationstechnik muss jedoch die Quantität und vor allem auch die Qualität der ausgesandten Photonen deutlich verbessert werden, da bisher nur ein Bruchteil der Photonen für die Erzeugung einer Verschränkung zu nutzen war.
Ausbeute steigt stark
Den Experten ist nun gelungen, die Ausbeute der verwendbaren Photonen dieser NV-Zentren von bisher drei auf nun 50 Prozent zu steigern. Zudem konnten sie die Rate, mit der die Photonen emittiert werden, fast verdoppeln. Dies wurde mit der Platzierung eines nur wenige 100 Nanometer grossen Diamanten zwischen zwei winzigen Spiegel erreicht. Bereits vor zehn Jahren war theoretisch beschrieben worden, dass die Platzierung der NV-Zentren in einem Hohlraum die Ausbeute der Photonen steigern müsse. Jedoch war es bisher keiner Forschungsgruppe gelungen, die Theorie in die Praxis umzusetzen. (pte/mc/ps)
