Neue Quantenzustände für bessere Quantenspeicher

Bild: tuwien.at

Experten der TU Wien ist in der Entwicklung neuer Quantenspeicher-Konzepte ein Schritt nach vorne gelungen. In Zusammenarbeit mit dem japanischen Telko NTT arbeiten sie an Quantenspeichern aus Stickstoffatomen und Mikrowellen. Durch ihre unterschiedliche Umgebung weisen die Stickstoffatome alle leicht unterschiedliche Eigenschaften auf, wodurch der Quantenzustand relativ schnell "zerläuft". Durch gezielte Manipulation eines kleinen Teils der Atome kann man diese jedoch in einen neuen Quantenzustand bringen, der eine mehr als zehnfache Lebensdauer hat.

"Wir verwenden synthetische Diamanten, in denen einzelne Stickstoffatome eingebaut sind", erläutert Projektleiter Johannes Majer vom Atominstitut der TU Wien. "Den Quantenzustand dieser Stickstoffatome koppeln wir mit Mikrowellen, das ergibt ein Quantensystem, in dem wir Information speichern und später wieder auslesen können." Die Speicherdauer in diesen Systemen ist allerdings durch die inhomogene Verbreiterung der Mikrowellenübergänge in den Stickstoffatomen im Diamantkristall beschränkt.

Nach etwa einer halben Mikrosekunde kann der Quantenzustand nicht mehr zuverlässig ausgelesen werden, das Signal geht verloren. Das Team um Majer hatte die Idee des "spektralen Lochbrennens", einem Trick, der es im optischen Bereich ermöglicht, Daten in inhomogen verbreiterten Medien zu speichern sowie für supraleitende Quantenschaltkreise und Spin-Quantenspeicher zu adaptieren. Die Experten konnten zeigen, dass solche Zustände, die vom störenden Rauschen weitgehend entkoppelt sind, auch für diese Systeme existieren. "Der Trick ist, das Quantensystem durch gezielte Manipulation in diese langlebigen Zustände zu bringen, damit die Information auch dort abgespeichert werden kann", fügt Kollege Dmitry Krimer hinzu.

Erster Machbarkeitsbeweis

"Durch die lokalen Eigenschaften des nicht ganz perfekten Diamantkristalls haben die Übergänge in den Stickstoffatomen leicht unterschiedliche Energien", so Erstautor Stefan Putz. "Wenn man mithilfe von Mikrowellen gezielt Stickstoffatome bei einer bestimmten Energie ,ausbleicht', entsteht ein Spektrales Loch. Die übrigen Stickstoffatome können dann in einen neuen Quantenzustand, einen sogenannten Dunkelzustand, im Zentrum dieses ,Spektralen Lochs' gebracht werden." Dieser sei stabiler und mache vieles möglich.

Putz sieht die aktuelle Arbeit als einen Machbarkeitsbeweis für ein neues Konzept, mit dem sich das Fundament für die weitere Erkundung innovativer Operationsprotokolle von Quantenspeichern legen lässt. Mit der neuen Methode konnte die Lebensdauer von Quantenzuständen des gekoppelten Systems aus Mikrowellen und Stickstoffatomen um mehr als das Zehnfache auf etwa fünf Mikrosekunden gesteigert werden. "Der Vorteil unseres Systems ist, dass man Quanteninformation innerhalb von Nanosekunden einschreiben und auslesen kann", erläutert Majer. "In den Mikrosekunden, die es stabil gehalten werden kann, ist daher eine große Zahl von Arbeitsschritten möglich."

Quelle: www.pressetext.com/Florian Fügemann