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Diamant-Nanobalken können leistungsfähigere Quantennetze ermöglichen
Für optische Quantennetzwerke müssen einzelne Lichtteilchen möglichst ohne Verluste durch winzige Schaltkreise gelangen. Ein Forschungsteam hat dafür Diamantstäbchen selbstjustierend in Lichtleiter aus Titandioxid integriert und an den fertigen Bauteilen Lichtverstärkung sowie die Steuerung und das Auslesen eines Quantenspins demonstriert. Leistungsfähige Quantennetzwerke entstehen daraus allerdings erst mit weiterer Entwicklung.
Boulder (U.S.A.). Künftige Quantenrechner und Quantennetzwerke benötigen Bauelemente, die einzelne Photonen erzeugen, gezielt weiterleiten und mit Quantenspeichern verbinden. Diamant ist dafür interessant, weil bestimmte Fehler seines Kristallgitters als Lichtquellen und Speicher von Quantenzuständen dienen können. Für größere optische Schaltungen lassen sich andere Werkstoffe dagegen leichter bearbeiten.
Beim Verbinden solcher Materialien geht an den Übergängen oft ein Teil des Lichts verloren. Gerade in Quantenschaltungen ist das problematisch, weil jedes einzelne Photon Information tragen kann. Ein Quantenknoten auf Diamantbasis zeigt bereits, wie solche Lichtteilchen künftig unterschiedliche Quantenrechner vernetzen könnten.
Forscher des Korea Institute of Science and Technology (KIST) um Dongyeon Daniel Kang haben nun zusammen mit Kollegen einen selbstjustierenden Fertigungsweg erprobt. Ihr Ansatz kombiniert Diamant-Nanostäbe mit optischen Schaltkreisen aus Titandioxid. Die Diamantstäbe enthalten Silizium-Leerstellen-Zentren, kurz SiV-Zentren, deren Elektronenspins sich durch Licht steuern und auslesen lassen.
Für die Herstellung formte das Team zunächst ein Negativmuster des späteren Schaltkreises in eine Lackschicht. Dann schob es einen rund 200 Nanometer breiten Diamantstab durch eine trichterförmige Öffnung in eine 230 Nanometer breite Nut. Die enge Führung sorgte für die Ausrichtung, bevor eine dünne Titandioxid-Schicht die Struktur umschloss.
Die dadurch verbundenen Lichtleiter sollen Photonen ohne größere Streuverluste weiterreichen. Für die Übergangsstelle zwischen beiden Materialien ergab eine Simulation einen Verlust von weniger als 0,034 Dezibel, was unter 0,8 Prozent der Lichtleistung entspricht. Eine direkte Messung dieses besonders niedrigen Grenzflächenverlusts liefert die Arbeit nicht.
„Wir wollten einen praktikablen Weg finden, hochwertige Quantenemitter mit integrierter Photonik zu verbinden, ohne dafür hohe optische Verluste in Kauf nehmen zu müssen“, erklärt Erstautor Kinfung Ngan von der University of Colorado Boulder (CU Boulder).
Die Forscher haben außerdem gezeigt, dass die kombinierte Struktur nicht nur ein theoretisches Bauelement ist. In einem optischen Resonator verstärkte sich die Lichtemission eines SiV-Zentrums, wenn dessen Lichtfrequenz zur Resonanz passte. Aus diesen Messungen leitete das Team einen mindestens sechsfachen Purcell-Effekt ab, also eine durch die Umgebung verstärkte Lichtabgabe.
Bei einem weiteren Chip führten die Wissenschaftler Licht aus den Diamantdefekten durch einen Titandioxid-Wellenleiter und kontrollierten über diesen Weg den Spin eines einzelnen Zentrums. Die Zuverlässigkeit der anfänglichen Spinpräparation schätzten sie auf 72 Prozent, die gemessene Spin-Relaxationszeit betrug 130 Nanosekunden. Diese begrenzten Werte zeigen zugleich, dass noch erhebliche Verbesserungen notwendig sind.
„Indem wir verstärkte Lichtemission, die Spinsteuerung auf dem Chip und eine effiziente Photonenführung auf derselben Plattform zeigen, weist diese Arbeit einen realistischen Weg zu skalierbaren quantenphotonischen Chips“, sagt Dongyeon Daniel Kang.