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Kernspins in Atomkernen verlängern Verschränkung bei Raumtemperatur 240-fach
Verschränkte Zustände in Festkörpern zerfallen bei Raumtemperatur oft sehr schnell, besonders nahe an einer Materialoberfläche, doch Forscher haben die Verschränkung eines Siliziumkarbid-Farbzentrums nun auf benachbarte Kernspins übertragen und ihre Lebensdauer von 1,06 auf 244 Mikrosekunden verlängert. Der Versuch verbindet damit schnelle Elektronenspins mit deutlich langlebigeren Quantenspeichern.
Hefei (China). Farbzentren sind atomare Gitterdefekte, deren Elektronenspins sich als Qubits nutzen und optisch auslesen lassen, wobei für die Quantensensorik gerade eine Position nahe der Oberfläche interessant ist, weil der Spin dort äußere Signale stärker erfassen kann. Dieselbe Nähe macht den Elektronenspin aber anfälliger für magnetisches, elektrisches und oberflächenbedingtes Rauschen, wodurch seine Kohärenz und damit auch Verschränkung rasch zerfallen.
Kernspins in unmittelbarer Nachbarschaft des Defekts sind wesentlich weniger empfindlich gegen solche Störungen, lassen sich jedoch schwerer direkt steuern und auslesen. Ein hybrider Quantenspeicher kann deshalb beide Rollen trennen, indem der Elektronenspin schnelle Operationen und die optische Auslese übernimmt, während Kernspins den Quantenzustand länger bewahren.
Forscher der University of Science and Technology of China (USTC) um Prof. Jin-Shi Xu haben dafür ein einzelnes PL6-Farbzentrum in 4H-Siliziumkarbid untersucht. Der Gitterdefekt lag nach Simulationen etwa 15 Nanometer unter der Oberfläche und koppelte seinen Elektronenspin stark an zwei Silizium-29-Kerne. So entstand ein vollständig adressierbares Register aus einem Elektronenspin als Prozessor und zwei Kernspins als Speicher.
Das Team initialisierte die drei Qubits und steuerte sie mit Mikrowellen- und Radiofrequenzpulsen, wobei sich zwei Kernspins zu einem Bell-Zustand mit einer Zustandstreue von 94 ± 2 Prozent verschränken ließen. Diese Größe beschreibt, wie gut der erzeugte Zustand mit dem idealen Zielzustand übereinstimmt, und zusätzlich erzeugten die Forscher einen dreiteiligen GHZ-artigen Zustand mit 89 ± 4 Prozent Zustandstreue. Damit demonstrierte das Team die kontrollierte Verschränkung aller drei Qubits.
Für den eigentlichen Speicherversuch präparierten die Forscher zunächst einen Bell-Zustand zwischen dem Elektronenspin und einem der beiden Kernspins. Seine Zustandstreue lag bei 94,5 ± 1,5 Prozent, bevor eine Folge von SWAP-Operationen die Verschränkung auf die beiden Kernspins übertrug und den störanfälligeren Elektronenspin aus dem verschränkten Zustand herauslöste.
Nach der Übertragung erreichte der gespeicherte Kernspin-Zustand noch eine Zustandstreue von 92,5 ± 2,5 Prozent. Entscheidend war die deutlich längere Kohärenzzeit der Verschränkung, denn der Zustand mit beteiligtem Elektronenspin zerfiel nach 1,06 ± 0,05 Mikrosekunden, während die auf zwei Kernspins verlagerte Verschränkung 244 ± 17 Mikrosekunden erhalten blieb. Die Studie fasst diese Verlängerung als Steigerung um bis zu Faktor 240 zusammen.
Die lange Speicherzeit ist noch nicht ausschließlich durch die Kernspins bestimmt, weil laut der Analyse die endliche Relaxationszeit des Elektronenspins weiterhin indirekt Dekohärenz in den Kernspeicher eintragen kann. Der Versuch zeigt damit eine deutliche Verlängerung, aber noch keinen von allen Störquellen entkoppelten Quantenspeicher.
Das Team wiederholte das Prinzip an einem weiteren PL6-Farbzentrum, dessen Speicher aus einem Silizium-29- und einem Kohlenstoff-13-Kern bestand. Auch dort ließ sich die Verschränkung vom Elektron auf die beiden Kernspins übertragen. Ihre Lebensdauer stieg von 1,08 ± 0,09 auf 196 ± 15 Mikrosekunden, während die Zustandstreue nach der Übertragung bei 91 ± 1,5 Prozent lag.
Zusätzlich untersuchten die Forscher 200 einzelne PL6-Farbzentren, die mit zwei verschiedenen Implantationsverfahren erzeugt worden waren. Mehr als zehn Prozent der Zentren koppelten von Natur aus an mindestens zwei ausreichend starke Kernspins. Geeignete Mehrqubit-Register sind in diesem