Neues Medium für Quantennetzwerke

Eine wichtige Voraussetzung für das Erstellen von Quanten-Netzwerken ist ein skalierbares System aus Quantenbits (Q-Bits) in dem Quanten-Informationen verarbeitet werden können. Halbleiter-Systeme sind hierfür prädestiniert, da die Herstellungsprozesse bereits aus der Halbleiterelektronik bekannt sind. Alternativen wie Stickstoff-Fehlstellen (NV-Zentren) in Diamanten haben zwar ausgezeichnete optische Eigenschaften [1], sind jedoch deutlich schwieriger in industriellem Maßstab herzustellen. Die gängigen Halbleiter-Systeme haben allerdings zwei große Nachteile: Eine starke Wechselwirkung der Elektronen mit Gitterschwingungen (Phononen) und damit eine entsprechend schwache Intensität der störungsfreien Zero-Phonon-Line (ZPL). Dazu sind die Zeiten für das Spin-Dephasing gering, so dass Informationen nur für kurze Dauer gespeichert werden können. Roland Nagy aus der Wrachtrup-Gruppe an der Universität Stuttgart hat nun ein neues Halbleiter-System entdeckt, das genau diese Nachteile nicht mehr zeigt [2].
Silizium-Fehlstellen (SiV-Zentren) in Siliziumkarbid weisen sehr stabile optische Übergänge mit geringer Störung durch Phononen auf. Die Kohärenz-Zeiten liegen im Millisekunden Bereich und sind damit um Größenordnungen länger als die in NV-Zentren, welche im Bereich von Nanosekunden liegen.

Die extrem langen Kohärenz-Zeiten machen diese Q-Bits zu einem erstklassigen Kandidaten für speichergestützten Quantennetzwerk-Anwen­dungen, welche auf Halbleitern ba­sie­ren. Dazu sind die optischen Resonan­zen sehr scharf. Die Absorptions-Linienbreite ist nahe der Grenze für Fourier-Transformationen. Damit lassen sich einzelne Spin-Zustände gezielt optisch ansprechen.

Die SiV-Zentren sind nur bei tiefen Temperaturen hinreichend stabil, um mit ihnen sinnvoll experimentieren zu können. Das haben sie mit anderen optischen Defekten wie den NV-Zentren gemeinsam. Bei Raumtemperatur werden die optischen Übergänge durch Wechselwirkung mit Gitterschwingungen stark gestört. Da die Intensität von optischen Defekten im Allgemeinen schwach ist, wird ein Objektiv mit hoher numerischer Apertur (NA) benötigt. Das ist in Kryostaten schwer zu realisieren, da das Objektiv entweder außerhalb der Probenkammer – mit entsprechend hohem Arbeitsabstand – oder als spezielle Kryo-Ausführung innerhalb der Kammer installiert werden muss. Beide Varianten haben nur eine mäßig hohe NA. Die Kryostation CO bietet erstmals die Möglichkeit ein geheiztes Objektiv innerhalb der Probenkammer einzubauen. So erreicht man eine hohe NA (bis 0.9) wie man sie von High-End-Raumtemperatur-Objektiven gewohnt ist. Dazu ist man nicht auf die sehr begrenzte Auswahl an Kryo-Objektiven beschränkt. Die Objektivaufhängung wird aktiv temperaturstabilisiert und driftet daher kaum. Das erlaubt lange Integrationszeiten ohne das Nachfahren der Probe.

Um den Spin des Defektes auszurichten, wird ein schwaches Magnetfeld benötigt. Die Wrachtrup-Gruppe hat hierfür zwei Permanentmagnete außerhalb der Probenkammer verwendet. Da die Probenkammer der Kryostation schmal ist, wird trotzdem ein ausreichend hohes Feld an der Probe erreicht.

Kristalline Struktur von 4H-SiC mit einem SiV-Zentrum im hexagonalen Gitter. Die Vorzeichen der Elektronen-Wellenfunktionen sind rot (positiv) oder blau (negativ) dargestellt.

Absorptionslinienbreite zwischen Grund- und angeregtem Zustand als Funk­tion der Laser-Intensität. Unterhalb von 1 W/cm2 wird die Absorptionslinie kaum „ausgeschmiert“ und befindet sich nahe der Grenze für Fourier-Transfor­mationen (blaue Linie).

[1] Humphreys, P. C. et al. Deterministic delivery of remote entanglement on a quantum network. Nature 558, 268–273 (2018).

[2] Nagy, R. et. al. High-fidelity spin and optical control of single silicon-vacancy centres in silicon carbide. Nat. Commun. 10, 1954 (2019)

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