In dieser Arbeit wurden wichtige Schritte zur Realisierung eines auf Diamant basierenden Quantencomputers gezeigt. Im Mittelpunkt steht dabei das Nitrogen-Vacancy Zentrum und die Wechselwirkung seines Elektronspins mit der Umgebung. Insbesondere die Kopplung an den Kernspin des Stickstoffatoms und die Wechselwirkung von zwei NV Zentren wurden untersucht. Neben der Verwendung als zusätzliches Quanten-Bit, kann der Kernspin auch dazu benutzt werden, die Genauigkeit des optischen elektronenspin-Ausleseprozesses drastisch zu erhöhen. Das konsequente Fortführen dieses Gedankens gipfelt in der Möglichkeit den Quantenzustand des Elektronenspins mit einer einzelnen Auslesesequenz zu bestimmen. Desweiteren wurde zum ersten Mal die magnetische Wechselwirkung zweier NV Zentren demonstriert. Dies zeigt, dass die Anzahl der zu Verfügung stehenden Quanten-Bits prinzipiell nicht begrenzt ist und ist eine wichtige Notwendigkeit für einen nützlichen Quantencomputer.
In dieser Arbeit wurden wichtige Schritte zur Realisierung eines auf Diamant basierenden Quantencomputers gezeigt. Im Mittelpunkt steht dabei das Nitrogen-Vacancy Zentrum und die Wechselwirkung seines Elektronspins mit der Umgebung. Insbesondere die Kopplung an den Kernspin des Stickstoffatoms und die Wechselwirkung von zwei NV Zentren wurden untersucht. Neben der Verwendung als zusätzliches Quanten-Bit, kann der Kernspin auch dazu benutzt werden, die Genauigkeit des optischen elektronenspin-Ausleseprozesses drastisch zu erhöhen. Das konsequente Fortführen dieses Gedankens gipfelt in der Möglichkeit den Quantenzustand des Elektronenspins mit einer einzelnen Auslesesequenz zu bestimmen. Desweiteren wurde zum ersten Mal die magnetische Wechselwirkung zweier NV Zentren demonstriert. Dies zeigt, dass die Anzahl der zu Verfügung stehenden Quanten-Bits prinzipiell nicht begrenzt ist und ist eine wichtige Notwendigkeit für einen nützlichen Quantencomputer.
Die Prinzipien und möglichen Anwendungen, sowie die grundsätzliche Implementierung kohärenter Manipulationen einzelner Elektronenspins in Stickstoff-Fehlstellen-Zentren in Diamant mittels optisch detektierter Magnetresonanz wurden in den vergangenen Jahren ausführlich erforscht. Nichts desto trotz ist es noch ein weiter Weg zu einer ausgereiften Anwendung. Eine essentielle Voraussetzung um dieses Ziel zu erreichen ist die Möglichkeit die Spinzustände mit hinreichender Genauigkeit zu manipulieren. Solche Manipulationen werden mittels Mikrowellen-Pulsen durchgeführt und würden in erster Linie von einer Beschleunigung der Zustandsübergänge profitieren, da Dekohärenz in Form von Spin-Dephasierungen das größte Hindernis das genannte Ziel zu erreichen darstellt. Ziel dieser Diplomarbeit ist es zu zeigen, dass es möglich ist die Genauigkeit der Spin-Manipulation zu erhöhen, indem eine Mikrostruktur zur Leitung der Mirowellensignale auf dem Diamanten errichtet wird. Diese soll die Welle von einem koplanaren Wellenleiter zum Diamanten leiten, wo dieser kurzgeschlossen wird, wodurch an diesem Ort ein starkes magnetisches Feld erzeugt wird. Da der Kurzschluss kreisförmig gestaltet wird, liegt die Annahme nahe, dass sich das Magnetfeld wie das einer geschlossenen stromdurchflossenen Leiterschleife verhält, welche durch Finite-Elemente-Simulationen erhärtet wird. Im Rahmen der Diplomarbeit wurde mit Methoden der Mikroelektronik, insbesondere Photo-Lithographie, von mir eine derartige Struktur angefertigt. Zusätzliche Schwierigkeiten ergaben sich aufgrund des Umstandes, dass die Struktur auf sehr kleinen Diamantproben platziert werden sollte. Die Lösung dieses Problems machte die Entwicklung eines eigenen Verfahrens notwendig. Um den Erfolg des Herstellungsprozesses zu demonstrieren, wurden einfache Magnetresonanzexperimente durchgeführt. Diese zeigen, dass die Mikrostruktur bessere Ergebnisse liefert als die vorangehende Ausführung, welche aus einem die Mikrowelle transmittierenden Drahtstück bestand. Es kann festgestellt werden, dass die Spin-Übergänge mit der Mikrostruktur schneller getrieben werden können, sich das Signal-Rausch-Verhältnis bei optisch detektierten Magnetresonanz Messungen bessert, das lokal stärkere Magnetfeld auf eine beliebige räumliche Ausdehnung skaliert werden kann und die Feldgeometrie und -position bezüglich der Defekte stets bekannt ist.
Die Quantenphysik hat unser heutiges Verstandnis der Informationsverarbeitung revolutioniert. Unter Ausnutzung von Quanteneffekten ermoglichen Quantencomputer deutlich schnellere, fur klassische Computern unerreichbare Rechengeschwindigkeiten. Diese Arbeit prasentiert eine Reihe von Experimenten auf dem Gebiet photonischer Quantencomputer, die einerseits technische Fortschritte in der Entwicklung eines skalierbaren Quantencomputers zeigen und andererseits neue, fundamentale Konzepte im Bereich der Quanteninformationsverarbeitung demonstrieren. Alle vorgestellten Experimente beruhen auf der Verwendung von Techniken der linearen Optik und der Anwendung dieser auf durch spontane parametrische Fluoreszenz erzeugte Multi-Photonen Zustande.
Das erste in dieser Arbeit prasentierte Experiment realisiert die angekundigte Erzeugung polarisationsverschrankter Photonenpaare. Bisher war die praktische Einsetzbarkeit von optischen Quantencomputerexperimenten aufgrund der probabilistischen Erzeugungsweise verschrankter Photonenpaare stark limitiert. Das hier vorgestellte Experiment ermoglicht den Nachweis eines verschrankten Zustandes ohne diesen zu messen und uberwindet damit diese begrenzte Anwendbarkeit photonischer Systeme in der Quanteninformationsverarbeitung. Diese angekundigte Erzeugung von verschrankten Zustanden ist daher ein erster Schritt zu auf linearer Optik basierenden Quantennetzwerken und zu skalierbaren photonischen Quantencomputern.
In einem zweiten Experiment wurde das neue Konzept eines blinden Quantencomputers implementiert. Neben den auf Quanteneffekten beruhenden schnelleren Rechnungen, ermoglichen Quantencomputer einen weiteren wesentlichen Vorteil gegenuber klassischen Computern: Sie ermoglichen absolut sichere Rechnungen. Dabei ist es moglich, dass ein Quantencomputer Rechnungen durchfuhrt, aber selbst nicht herausfinden kann, welche es sind. Mit diesem Konzept kann ein nahezu klassischer Nutzer eine Rechnung an einen Quantenserver auslagern, ohne dass dieser die Eingabe, die Ausgabe und die Rechnung kennt. Im Zuge dieser Arbeit wurde die erste experimentelle Umsetzung eines blinden Quantencomputers basierend polarisationsverschrankten Photonen realisiert und blinde Quantenrechnungen, darunter zahlreiche 1- und 2-Qubit Gatter sowie Quantenalgorithmen, demonstriert. Diese Demonstration eines blinden Quantencomputers zeigt, dass unter Ausnutzung von Quanteneffekten absolut sicheres Cloud Computing moglich ist. Aufgrund der naheliegenden Annahme, dass Quantencomputer aufgrund ihrer technischen Komplexitat zunachst nur in wenigen spezialisierten Rechenzentren zur Verfugung stehen konnten und Nutzer von auserhalb mit diesen interagieren, ist dieses Experiment daher ein wichtiger Beitrag fur praktische Anwendungen.
In einem weiteren Experiment wurde dieses Konzept des blinden Quantencomputers auf Fragestellungen im Gebiet der Komplexitatstheorie und der Verifikation angewendet. Dazu wurde eine neue Theorie entwickelt und experimentell demonstriert, mit derer ein nahezu klassischer Nutzer testen kann, ob ein Computer Quantenressourcen hat. Mittels eines blinden Bell Tests kann der Nutzer dabei verifizieren, ob der Quantencomputer Verschrankungsoperationen durchfuhren kann. Diese elementare Methode ist ein erster Schritt zur Verifikation von Quantencomputern und zur Beantwortung der Frage, ob ein klassischer Nutzer Quantenrechnungen uberprufen kann, ohne diese selbst durchfuhren zu konnen.
In den letzten Jahren konnte das negativ geladene Stickstoff-Fehlstellen-Zentrum (NV) in Diamant aufgrund seiner vielzähligen Anwendungsmöglichkeiten große Aufmerksamkeit auf sich ziehen. So zum Beispiel reichen die Möglichkeiten von hoch präzisen Sensoren bis hin zu Quanten Informationsprotokollen. Eigenschaften wie lange Spin-Phasen Kohärenz und Lebenszeit stellen das NV Zentrum auch in den Fokus aktueller Forschung. Um all diese Eigenschaften noch besser nutzen zu können, ist es wichtig die zugrundeliegenden physikalischen Phänomene dieses Systems zu verstehen. Ein wichtiger Punkt dabei ist die Wechselwirkung des Spin Freiheitsgrades mit den Phononen des Diamantgitters. In einem Festkörpers sind longitudinale Relaxationsprozesse bei denen der Spin Energie an die Phononen abgibt dominant. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der experimentellen Bestimmung der longitudinalen Spin-Gitter Relaxationszeit im Limit von niedrigen Temperaturen. Das Experiment basiert auf Cavity-Quantenelektrodynamik im starken dispersiven Limit. Dort ist es möglich den Spin-Inversionszustand von bis zu 1e16 NV Spins zu bestimmen. Bemerkenswert, die niedrige phononische Zustandsdichte erlaubt der Spininversion über lange Zeitskalen von bis zu 8h zu bestehen. Dieses experimentelle Ergebnis wird zusätzlich durch eine ab initio Simulation basierend auf der Dichtefunktionaltheorie (DFT) gestützt. Es zeigt sich, dass im Niedrigtemperaturlimit ein Einzel-Phononen Prozess den dominanten Realxationsmechanismus darstellt. In einem weiteren Experiment im dispersiven Limit wird die Eignung von NV Zentren für Quanten Informationsaufgaben gezeigt. Zwei räumlich getrennte Spin Ensembles werden an eine gemeinsame bosonische Resonatormode gekoppelt. Diese kohärente Kopplung ist ein erster Schritt in Richtung Verschränkung makroskopischer Ensembles und eröffnet Möglichkeiten ungewöhnliche Dynamik wie zum Beispiel die Relaxation zu negativen Temperaturen zu studieren. Die Kopplung der entfernten Ensembles entsteht durch virtuelle Photonen in der Resonantormode. Kohärente Kopplung ist eine notwendige jedoch nicht hinreichende Bedingung für Quantenverschränkung - ein Phänomen welch experimenteller Nachweis immer noch eine große experimentelle Herausforderung darstellt.
Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Thematik der Verwendung von Quantencomputer. Die Hauptziele bilden dabei die Ermittlung des Minimum-Wissens zur Verwendung eines Quantencomputers, wobei das Verständnis gegenüber Quantenalgorithmen als Verwendung angesehen wird. Das zweite Ziel ist festzustellen, wann welches Wissen benötigt wird. Dadurch soll ein Überblick geschaffen werden und ersichtlich sein welche Themengebiete voneinander abhängig sind. Durch Literaturrecherche wurden die wichtigsten Themenbegriffe ermittelt und stetig mit der Dokumentation eines Praxisprojektes von Studierenden des Studienganges Informationsmanagement 2018 verglichen. Diese Projektarbeit beschäftigte sich mit der Evaluierung einer Plattform, wodurch Quantencomputer über das Internet erreicht werden können. Basierend auf den Ergebnissen der Recherche und Vergleiche entsteht eine Landkarte des Wissens in der Form einer Concept Map. Diese unterteilt sich in zwei Versionen wobei Version 2 eine Erweiterung der ersten darstellt. In der ersten Version sind alle Begriffe inkludiert, die im ersten Arbeitspaket des Praxisprojektes benötigt wurden um ein Grundverständnis zu entwickeln. Die zweite Version der Concept Map bildet die Finale Version und alle Erkenntnisse ab. Dabei werden alle Begriffe zum Verständnis für Quantenalgorithmen eingearbeitet. Mithilfe dieser Concept Map, ist es möglich das Minimum-Wissen anhand wichtiger Begrifflichkeiten zu extrahieren. Durch die gerichteten Beziehungen zwischen den Begriffen ist es möglich zu erkennen, welche Themen voneinander abhängig sind und daher festzustellen, welches Thema wann wichtig ist.
Die Verknüpfung von Qubits gehört zu den aktuellen Herausforderungen der Quantentechnologie. Dies betrifft einerseits Systeme, die weit voneinander entfernt sind, als auch hybride Systeme, in denen unterschiedliche Realisierungen der Qubits ihre individuellen Stärken ausspielen und anschließend den Quantenzustand auf einen anderen Typ übertragen sollen. In dieser Arbeit wird ein Mischcryostat vorgestellt, der Supraleiter auf Temperaturen unterhalb hundert Millikelvin abkühlen kann und zugleich eine Apparatur zur Präparation von ultrakalten Atomen enthält. Es konnte gezeigt werden, dass es möglich ist, ultrakalte Atomwolken in dieser Umgebung zu präparieren und zu manipulieren. Im nächsten Schritt müssen die Atomwolken in die Millikelvin-Umgebung transportiert und an einen Chip mit funktionalen supraleitenden Elementen herangeführt werden. Zwar steht die Demonstration des Austausches von Quanteninformation noch aus, dennoch stellt dies einen bedeutenden Schritt in Richtung eines hybriden Quantensystems dar. Es ist von zentraler Bedeutung, den Wärmeeintrag in die Millikelvinumgebung zu minimieren. Gleichzeitig erfordern die typischen magnetischen Fallenpotentiale Ströme im Bereich einiger Ampere. Konventionelle Spulen aus supraleitenden Drähten erzeugen zwar keine Heizleistung, allerdings verbleibt ein Wärmeeintrag durch Wärmeleitung. Einen Ausweg bieten geschlossene supraleitende Schleifen, die von einem permanenten Strom durchflossen werden. In dieser Arbeit wurde die Idee der Baseball-Falle aufgegriffen, die mit einem einzelnen Strompfad eine vollständige Falle realisiert. Dies wurde in einem zweiten System mit einer supraleitenden Schleife umgesetzt. Eine zusätzlich angebrachte konventionelle Spule koppelt magnetischen Fluss in die Schleife ein, wodurch der permanente Strom moduliert werden kann. Diese Spule kann sich an einer anderen Temperaturstufe des Cryostaten befinden, so dass auch die Wärmeleitung unterbunden wird. Als Vermittler zwischen unterschiedlichen Qubits können Rydberg-Atome eine Schlüsselrolle einnehmen, da ihr Anregungsspektrum einen weiten Frequenzbereich überdeckt. Ihre Sensitivität gegenüber elektrischen Feldern erfordert allerdings eine sorgfältige Betrachtung der Umgebung und ggf. eine Abschirmung oder Kompensation der Störfelder. In der vorliegenden Arbeit wurde ein Referenzsystem aufgebaut, an dem die absoluten Übergangsfrequenzen mit verbesserter Genauigkeit ermittelt und der Einfluss externer Felder untersucht wurden. Auf dieser Basis können nun die Korrekturen vorgenommen werden. Als Referenz für die Frequenzmessungen dient bislang ein Mikrowellenübergang. Verwendet man stattdessen einen optischen Übergang, so wird die Zeit in kleinere Abschnitte unterteilt und somit die Unsicherheit reduziert. Diese optischen Uhren aus neutralen Atomen haben bislang den Nachteil, dass die Messung destruktiv erfolgt. Durch die erneute Präparation steht die Uhr nur einen Bruchteil der Zeit zur Verfügung. Hier wurde ein Konzept erarbeitet, das den Betrieb einer kontinuierlichen optischen Uhr ermöglichen soll. Die erste Stufe der Präparation eines Ensembles ultrakalter Atome konnte bereits demonstriert werden. Im weiteren Verlauf ist eine zweite Präparationsstufe, sowie eine Spektroskopie erforderlich. Letztendlich ist die Anbindung des bestehenden Frequenzkamms geplant, um die erhöhte Genauigkeit auch auf andere Frequenzbereiche zu übertragen. Die erzielten Erkenntnisse tragen zur Weiterentwicklung der Quantentechnologien bei. Einerseits bieten sie die Perspektive Quanteninformationsverarbeitung mit hybriden Systemen aus Supraleitern und ultrakalten Atomen durchzuführen. Dabei kann die optische Schnittstelle mehrere derartige Systeme auch über große Entfernungen miteinander verknüpfen und so die Vision eines Quanten-Internets wahr werden lassen. Optische Uhren werden in absehbarer Zeit die Cäsium-Uhren zur Definition der Sekunde ablösen. Ihre hohe Sensitivität lässt neue Anwendungen in der Metrologie, Geodäsie oder auch Astronomie erwarten.
In dieser Doktorarbeit wurde die Wechselwirkung zwischen Elektronen in einem getriebenen Doppelquantenpunkt und seiner Umgebung untersucht.Ein Quantenpunkt ist eine nanoskopische Struktur, in der Elektronen in allen drei Raumrichtungen lokalisiert sind, sodass sie ähnlich wie in einem Atom ein diskretes Energiespektrum aufweisen.Dieses System kann benutzt werden, um fundamentale Quanteneigenschaften wie den Elektronenspin oder Superpositionszustände im Festkörper zu untersuchen.Die hier betrachteten Quantenpunkte wurden mittels Feldeffekt elektrostatisch in einem zweidimensionalen Elektronensystem basierend auf einer GaAs/AlGaAs-Heterostruktur defininiert.Diese Methode erlaubt Kontrolle über das Einschlusspotential der Elektronen, da die Elektrostatik über Spannungen an metallischen Gattern während des Experiments beeinflusst werden kann, sowie die direkte Messung von Elektronentransport durch die Quantenpunkte.In dieser Arbeit wurde ein System von zwei zu einem Doppelquantenpunkt gekoppelten Quantenpunkten studiert.Das theoretische Konzept des quantenmechanischen Zwei-Niveau-Systems kann durch bestimmte Kombinationen der Molekülzustände im Doppelquantenpunkt in guter Näherung realisiert werden.Doppelquantenpunkte stellen daher ein mögliches System zur Implementierung von Qubits im Kontext der Quanteninformationsverarbeitung dar.Da das Zwei-Niveau-System von seiner Umgebung jedoch nicht völlig isoliert ist, spielen Wechselwirkungen für die Zeitentwicklung des Quantenzustands im Festkörper eine wichtige Rolle.Der erste Teil der Arbeit untersucht die Wechselwirkung von Zwei-Elektron-Spinzuständen in einem inhomogenen, d.h.am Ort der beiden Quantenpunkte unterschiedlichen, Magnetfeld.Dieses inhomogene Magnetfeld wurde erstmalig mit zwei eindomänigen magnetischen Gattern realisiert und mittels direkter Strommessung sowie Elektronspin-Resonanz charakterisiert.Da die Atome des GaAs-Kristalls, in dem der Doppelquantenpunkt realisiert ist, einen Kernspin aufweisen, können Elektronen in einem Quantenpunkt mit typischerweise 10 6 Kernspins über Hyperfeinwechselwirkung interagieren.Unter bestimmten Bedingungen können die Kernspins durch die Hyperfeinwechselwirkung dynamisch polarisiert werden, was im Hinblick auf die Wechselwirkung mit den Elektronen in semiklassischer Näherung als effektives Magnetfeld beschrieben werden kann.Wegen des komplexen elektronischen Spektrums der Quantenpunkte und der Vielzahl an Kernspins ergibt sich hieraus eine bislang noch nicht vollständig verstandene Dynamik, die zu verschiedenen Fixpunkten in der Polarisationsdynamik führt.Es gelang, verschiedene Fixpunkte durch Messung des effektiven Magnetfeldes mittels Elektronspin-Resonanz zu charakterisieren und mit ihrer Hilfe eine hohe Kernspin-Polarisation direkt nachzuweisen.Der zweite Teil der Arbeit beschäftigt sich mit einem Qubit bestehend aus zwei gekoppelten Ladungszuständen, die mithilfe einer periodischen Gatterspannungsmodulation durch Landau-Zener-Übergänge in Superposition gebracht wurden.Die dadurch entstehenden Landau-Zener-Stückelberg-Majorana-Interferenzmuster wurden durch die Dekohärenz des Zwei-Niveau-Systems modifiziert.Es konnte gezeigt werden, dass die Ladungszustände in Quantenpunkten in erster Linie an Ladungsfluktationen in ihrer Nähe, sowie an das Phononenspektrum des Kristalls koppeln.Über ein theoretisches Modell, das die beiden auf sehr unterschiedlichen Zeitskalen stattfindenden Wechselwirkungen berücksichtigt, konnten die Interferenzmuster im Detail analysiert und die Kohärenzzeit des individuellen Qubits und die Dephasierung des Zeitensembles getrennt bestimmt werden, ohne dass auf eine experimentell kompliziertere Echomessung zurückgegriffen werden musste.Darüber hinausgehend wurde der Einfluss von komplexeren Antrieben auf das Interferenzmuster am Beispiel von bichromatischen Antrieben mit unterschiedlichen Frequenzverhältnissen und Phasenbeziehungen untersucht.Die Symmetrieeigenschaften der unterschiedlichen Interferenzmuster konnten auf die des jeweils zugrunde liegenden Antriebs zurückgeführt werden.