Two-laser spectroscopy and coherent manipulation of color-center spin ensembles in silicon carbide

Olger V. Zwier

Published Jan 1, 2016• 3 citations

Abstract

Om een kwantum apparaat te bouwen dat zijn hedendaagse, “klassieke” evenknie in het stof doet bijten (bijvoorbeeld onbreekbare versleuteling, of exponentieel snellere berekeningen), hebben we betere kwantumonderdelen nodig dan er nu bestaan. Deze dragers van kwantuminformatie (zogenaamde qubits) moeten goed opschaalbaar zijn naar grote systemen, integreerbaar zijn met huidige technologie, en ook nog eens betaalbaar. Wij verkennen een nieuw type qubit genaam kleurcentrum, wat van nature voorkomt op atomaire schaal in bepaalde halfgeleidende materialen. In ons materiaal onder studie, silicium carbide, bestaan honderden van dit soort centra die kunnen voldoen aan de eerder genoemde criteria, elk met zijn eigen voor- en nadelen voor toepassingen. Dit werk bevat twee hoofdlijnen. Ten eerste de ontwikkeling van experimentele technieken en analyse om kleurcentra in bulk te karakteriseren, gebruik makende van enkel licht, in een imperfect, onder spanning staand materiaal (wat de natuurlijke staat is voor zo’n materiaal, tenzij grote zorg wordt gedragen tijdens het groeien). Dit vergemakkelijkt de zoektocht naar het juiste kwantumsysteem voor de juiste taak. Ten tweede tonen we controlle over de kwantumtoestand van drie verschillende centra (twee typen zogeheten “divacancies”, met verschillende symmetrie, en molybdenum onzuiverheden), alleen gebruik makende van licht. Dit werk toont de sterke punten van deze defecten, en wijst de weg naar volledig optische kwantumtoepassingen ermee, verwerkt in een microchip.

Related papers

Het experiment in de quantum-mechanica

A.J. GROENEWOLD

De reeks van voordrachten waarin dit past gaat in het algemeen over het experiment.Ik zou de nuance iets anders willen leggen : eerder spreken over de waarneming dan over het experiment; de waarneming dan, gezien in het licht van de theorie en in het bijzonder van de quantum-me chanica.Het experiment is nauw verwant met waarneming ; het is een waarneming onder speciale geselecteerde omstandigheden die we goed beheersen en die we eenvoudig uitgezocht hebben om over bepaalde probleemstellingen informatie te krijgen; eenvoudige omstandigheden maar ook eenvoudige objecten.Dit is een van de kenmerken van de natuurkunde temidden van de natuurwetenschappen, dat die zulke eenvoudige objecten van onderzoek gel{ozen he eft, maar daar soms ook diep in is doorgedrongen en zich daarbij weI eens ver van het aanschouwelijke verwij dert.De wiskunde is misschien nog een eenvoudiger vak, maar dat noem ik geen natuurwetenschap.In de geo-fysica daarentegen gaat het om veel grotere hoeveelheden materiaal en daar is de statistische benadering een meer belangrijke rol gaan spelen, zoals ook in de biologie.In de zuivere klassieke natuurkunde speelt de statistiek ook weI een rol en in de quantum-mechanica wordt die rol nog fundamenteler.Maar t.o.v.het experiment onderscheidt de quantum-mechanica zich niet zo fundamenteel van de klassieke natuurkunde.Er zijn in de quantum-mechanica en andere moderne gebieden van de natuurkunde weI bepaalde interessante aspecten aan het experiment; grote verfijning van bepaalde instrumenten en de grote machines die meer en meer nodig zijn en die zo kostelijk worden dat een land dit langzamerhand niet meer kan betalen.(Om sommige experimenten te bekostigen zal meer en meer de samenwerking van alle landen van de wereld nodig zijn).De quantum-mechanica onderscheidt zich echter meer fundamenteel van de klassieke natuurkunde op het vlak van de waarnemingen ; het zal dus interessant zijn wat meer op de functie van de waar-(*) Deze tekst werd geredigeerd door E. Vel'meersch op basis van een bandopname van de lezing die professor Groenewold gehouden heeft in onze voordrachtencyclus.

PhilosophicaJan 2, 19690 citations

Kwantumberekening : research and review article

Johannes Heidema, Petrus H. Potgieter, Willem L. Fouché

Daar is geen gebrek aan dekking in die laaste paar jaar in wetenskaplike joernale van die onderwerp van kwantumberekening nie. Tereg ook, want dit is 'n nuwe idee met - tot sover- minstens een baie belangrike praktiese toepassing (ontbinding in priemfaktore) sodra die tegnologie redelik omvattende berekenings kan hanteer. Die belangstelling in kwantumverwerking is aangevuur deur beide die besef dat die toenemende miniaturisering noodwendig rekenaarwetenskaplikes met kwantumverskynsels sal konfronteer, en deur die begryp van die potensiaal van massief parallelle verwerking deur die gebruik maak van die Hilbert-ruimtevoorstelling van kwantumstelsels en die spesiale eienskappe van kwantumverstrengeling. Die onderwerp le by die sameloop van fisika, rekenaarwetenskap en wiskunde en hierdie bydrae verken die idees van die drie gebiede wat die belangrikste rol in kwantumberekening speel en besin oor die definisies van en die waarskynlike gebruik vir kwantumverwerking asook sy verhouding tot die klassieke berekeningskompleksiteit. Ten slotte word 'n uitgebreide geannoteerde bibliografie verskaf as gids vir die geinteresseerde leser tot die literatuur in die onderwerp. End Quantum computing There has been no lack of coverage in the past few years in scientific journals of the topic of quantum computation. Rightly so, as this is a novel idea with-so far-at least one very important practical application (prime factorisation) as soon as the technology can accommodate reasonably sized computations. Interest in quantum computing has been sparked by both the realization that increasing miniaturisation will eventually bring computer scientists face-to-face with quantum effects, and by the grasping of the potential for massive parallelism inherent in the Hilbert space representation of quantum systems and in the special effects of quantum entanglement. The topic lies at the confluence of physics, computer science and mathematics and this contribution reviews the ideas from these three fields that play the most important role in quantum computation and reflects on the definitions of and prospective use for quantum computing as well as its relation to classical computational complexity. Finally, an extended annotated bibliography is provided as a guide for the interested reader to the literature in the subject. End

Suid-Afrikaanse Tydskrif vir Natuurwetenskap en TegnologieSep 1, 20050 citations

Koude atomen bieden geen weerstand

R. A. Duine, H. J. van Driel, Henk T. C. Stoof

Deeltjestransport blijkt zich voor ultrakoude atomaire Bose-gassen radicaal anders te gedragen dan voor normale elektrische geleiders. We bestuderen de wrijvingsweerstand tussen deeltjes met verschillende spin die, net als normale elektrische weerstand, voor gewone geleiders kleiner wordt bij lagere temperatuur. Deze wrijvingsweerstand is voor bosonische atomen spectaculair veel groter vanwege kwantummechanische veel-deeltjeseffecten, en neemt zelfs toe als het systeem kouder wordt. Hierdoor ontstaan nieuwe inzichten in de fundamentele aspecten van ladings- en spintransport. Dat laatste speelt met name een rol in de zogenaamde ‘spintronica’, een vakgebied dat onder meer de iPod mogelijk heeft gemaakt. In dit artikel bespreken we het nieuwe vakgebied van ‘bosonisch transport’, dat analogieën van elektrische geleiding bestudeert met koude bosonische atomen om zo onontgonnen fysische regimes van transport te onderzoeken. De resultaten van ons fundamentele onderzoek zijn onder andere van belang voor het bouwen van ‘atoomtronische’ schakelingen, waarin componenten zoals diodes en transistoren gebaseerd worden op koude atomen in plaats van elektronen.

Nederlands tijdschrift voor natuurkundeJan 1, 20100 citations

Kwantumberekening

J. Heidema, Petrus H. Potgieter, W. L. Fouch ́ e

Daar is geen gebrek aan dekking in die laaste paar jaar in wetenskaplike joernale van die onderwerp van kwantumberekening nie. Tereg ook, want dit is ’n nuwe idee met—tot sover—minstens ´ e´ en baie belangrike praktiese toepassing (ontbinding in priemfaktore) sodra die tegnologie redelik omvattende berekenings kan hanteer. Die belangstelling in kwantumverwerking is aangevuur deur beide die besef dat die toenemende miniaturisering noodwendig rekenaarwetenskaplikes met kwantumverskynsels sal konfronteer, en deur die begryp van die potensiaal van massief parallelle verwerking deur die gebruik maak van die Hilbert-ruimtevoorstelling van kwantumstelsels en die spesiale eienskappe van kwantumverstrengeling. Die onderwerp lˆ e by die sameloop van ﬁsika, rekenaarwetenskap en wiskunde en hierdie bydrae verken die idees van di´ e drie gebiede wat die belangrikste rol in kwantumberekening speel en besin oor die deﬁnisies van en die waarskynlike gebruik vir kwantumverwerking asook sy verhouding tot die klassieke berekeningskompleksiteit. Ten slotte word ’n uitgebreide geannoteerde bibliograﬁe verskaf as gids vir die ge¨ ınteresseerde leser tot die literatuur in di´ e onderwerp.AbstractQuantum computing There has been no lack of coverage in the past few years in scientiﬁc journals of the topic of quantum computation. Rightly so, as this is a novel idea with—so far—at least one very important practical application (prime factorisation) as soon as the technology can accommodate reasonably sized computations. Interest in quantum computing has been sparked by both the realization that increasing miniaturisation will eventually bring computer scientists face-to-face with quantum effects, and by the grasping of the potential for massive parallelism inherent in the Hilbert space representation of quantum systems and in the special effects of quantum entanglement. The topic lies at the conﬂuence of physics, computer science and mathematics and this contribution reviews the ideas from these three ﬁelds that play the most important role in quantum computation and reﬂects on the deﬁnitions of and prospective use for quantum computing as well as its relation to classical computational complexity. Finally, an extended annotated bibliography is provided as a guide for the interested reader to the literature in the subject.

Suid-Afrikaanse Tydskrif vir Natuurwetenskap en TegnologieSep 23, 20051 citation

Physics-inspired solutions to computationally hard problems : advances in photonic quantum computing and ising machines

Robbe De Prins

Deze PhD onderzoekt gespecialiseerde hardware om computationeel moeilijke problemen efficiënter op te lossen. Het werk richt zich op twee veelbelovende technologieën: fotonische kwantumcomputers en Ising-machines. Beide systemen verankeren computationele taken direct in hun dynamica, waardoor hun natuurlijke evolutie deze taken oplost. Deze vormen van rekenen bieden energiezuinige en schaalbare alternatieven voor traditionele digitale hardware. Het eerste deel draagt bij aan fotonische kwantumcomputing door efficiëntere klassieke algoritmen te ontwikkelen die realistische simulaties en optimalisaties mogelijk maken van lineaire optische circuits met fotonenteldetectoren. Dergelijke circuits worden gebruikt om niet-Gaussische kwantumtoestanden te genereren, zoals GKP-toestanden, die bijvoorbeeld dienen als bouwstenen voor universele kwantumcomputers. Verder introduceren we recurrente Gaussische kwantumnetwerken die tijdreeksen van kwantumtoestanden kunnen verwerken en beter presteren op diverse kwantummechanische communicatietaken. Het tweede deel onderzoekt analoge Ising-machines om combinatorische optimalisatieproblemen op te lossen. Dergelijke problemen zijn alomtegenwoordig in wetenschap en industrie. We identificeren een superieure methode om de verhoudingen tussen interne interacties en externe velden beter te beheersen, een prestatiebepalende balans die vaak ontbreekt in analoge Ising-machines. We breiden deze conclusies uit naar hogere-orde Ising-machines, die bijzonder geschikt zijn voor industrieel relevante ‘vervulbaarheidsproblemen’. Tot slot stellen we een efficiëntere manier voor om Max-3-Cut-problemen in Ising-machines te representeren, wat hun oplossingsprestaties verhoogt.

Jan 1, 20260 citations

Kwantumverstrengelingen: dodelijk of bevrijdend?

Ronald Desmet

De fysici die de kwantummechanica in de eerste helft van de twintigste eeuw ontwikkelden, waren zich er onmiddellijk van bewust dat met het ontstaan van de kwantummechanica ook de prangende vraag ontstond naar een nieuwe kennisleer en naar een nieuw wereldbeeld. Toch is het pas in de jaren zeventig dat het kwantumdebat voor het grote publiek zichtbaar werd. Toen ontstond de stroom van bestsellers die ons ervan willen overtuigen dat de kwantummechanica niet enkel de belofte van een transformatie van een materialistisch naar een holistisch wereldbeeld in zich draagt, maar tevens de impuls tot een soortgelijke cultuurtransformatie.\nNu de eenentwintigste eeuw aangebroken is en we op de drempel staan van een nieuw technologisch tijdperk, waarin juist de kennis van de niet-lokale kwantumverstrengelingen omgezet wordt in technologieën als kwantumcryptografie en kwantumcomputers, willen we evalueren of de gemaakte belofte nagekomen is. Krijgt een holistische cultuur momenteel gestalte of vormen deze nieuwe technologieën een uitdrukkelijke voortzetting van de vaak ontmenselijkende technologische evolutie van de voorbije eeuw? Is het ontstane enthousiasme op het ideële vlak wel toereikend als tegenwicht voor de twintigste-eeuwse fragmentatie van onze dagelijkse leefwereld? Deze kwestie belichaamt de belangrijkste eenentwintigste-eeuwse uitdaging voor al wie nadenkt over de gevolgen van de kwantummechanica.

Nov 19, 20050 citations