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Physik in unserer Zeit

Quantensensorik: Extreme Quantenelektrometrie mit Diamant‐Farbzentrum

Gregor Pieplow, Cem Güney Torun, Tim Schröder

Published Jan 1, 2026• 0 citations
Publisher

Abstract

Ein Quantenelektrometer auf Basis eines Zinn‐Defekts in Diamant ermöglicht einen neuen Blick in die verborgene Dynamik von Ladungsprozessen im Festkörper. Es zeigt mit atomarer Präzision, wie einzelne Elektronen im Kristall elektrische Felder formen und wie diese sich verändern.
DOI
10.1002/piuz.70029

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In der vorliegenden Arbeit wird das elektrische Fangen von Molekülen und Atomen in zwei verschiedenen Experimenten untersucht.Dazu wurde zum einen eine Quelle kalter Moleküle aufgebaut und zum anderen eine dreidimensionale elektrische Falle für lasergekühlte Atome.Das Molekülexperiment beschäftigt sich mit dem gleichzeitigen zweidimensionalen Fangen von Molekülen, die sich in einem hochfeldsuchenden oder einem niedrigfeldsuchenden Zustand benden.Mit zeitabhängigen Feldern läÿt sich für Moleküle wie ND 3 eine Fallentiefe von ungefähr 20 mK erzeugen.Im Experiment werden mit Hilfe zeitlich veränderlicher elektrischer Felder langsame Moleküle mit einer longitudinalen Geschwindigkeit kleiner als 20 m/s entlang eines 50 cm langen, gebogenen Quadrupols geführt.Simulationen stehen in guter Übereinstimmung mit den experimentellen Daten.Das Hauptaugenmerk dieser Arbeit liegt jedoch auf der Realisierung einer elektrischen Falle für Atome.In diesem Experiment werden mit Hilfe zeitlich veränderlicher elektrischer Felder neutrale Rubidium Atome, die sich im Grundzustand benden, gefangen.Dazu werden drei unterschiedliche elektrostatische Feldkongurationen zyklisch abwechselnd erzeugt.Aufgrund der geringen Fallentiefe müssen die Rubidium Atome zuerst lasergekühlt und danach in einer Magnetfalle gespeichert werden.Danach werden die magnetisch gespeicherten Atome ins Zentrum der elektrischen Falle transportiert.Die elektrische Falle für Atome besteht aus sechs zylindrischen mit Endkappen versehenen Elektroden, in einer kubischen Anordung.Die so angeordneten Elektroden ermöglichen einen ausgezeichneten optischen Zugang.In der elektrischen Falle werden 1, 7 • 10 5 Atome bei einer Dichte von 2, 5 • 10 8 cm -3 bis zu 360 ms bei einer Anfangstemperatur von 20 µK gespeichert.Alle experimentellen Ergebnisse stehen in guter Übereinstimmung mit analytischen Rechunungen und numerischen Simulationen.

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Theory of ultrafast waveguided parametric down-conversion : From fundamentals to applications

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In der Quantenoptik gib es kaum einen Prozess der öfter eingesetzt wird als die Parametrische Fluoreszenz (PDC). Doch trotz der weiten Verbreitung bereitet die theoretische Beschreibung der PDC noch immer Schwierigkeiten. In dieser Dissertation beschäftigen wir uns mit diesem Problem und erweitern die gegenwärtige störungstheoretische Beschreibung von “ultrafast” PDC in Wellenleitern um sowohl den räumlichen als auch den spektralen Freiheitsgrad [1, 2]. Weiterhin gehen wir über diese störungstheoretischen Betrachtungen hinaus und entwickeln eine numerische und eine vereinfachte analytisches rigorose theoretische Modellierung der PDC, die sich überdies zur Beschreibung von Frequenzkonversion eignet [3]. Dieses tiefgreifende Verständnis der PDC ermöglicht es uns zukünftige Anwendungen der PDC im Bereich der Quanteninformation zu erforschen: Wir untersuchen wie gut PDC eine deterministische Einphotonenquelle annähern kann [5], präsentieren eine neue Methode die spektralen Eigenschaften der PDC unabhängig von der Dispersion im Kristall zu verändern [5] und entwickeln einen neuen Ansatz um PDC, robust, einfach und, vor allem, verlustunabhängig zu charakterisieren [6]. Schließlich stellen wir ein gemultiplextes Quantenkommunikationsprotokoll vor welches, basierend auf den multimodigen Eigenschaften der PDC, exponentiell höhere Datenraten, als vergleichbare einmodige Protokolle ermöglicht [7].

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Quantenstatt Karat

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Damit Quantenkommunikation und -rechnung zuverlässig funktionieren, müssen Qubitsysteme ihre maximale Leistungsfähigkeit erreichen. Die zugrunde liegenden Prozesse sind äußerst komplex, und selbst kleinste Fehler können erhebliche Störungen verursachen, wodurch das „Quantum“ verschwindet. In den letzten Jahren wurden zahlreiche Qubitplattformen erforscht, wobei Farbzentren eine zentrale Rolle bei der Realisierung skalierbarer Quantennetzwerke spielen. Unter diesen hat sich das negativ geladene Zinn-Fehlstellenzentrum (SnV) in Diamant als vielversprechender Kandidat für optisch adressierbare Spinqubits erwiesen, insbesondere aufgrund seiner stabilen optischen Übergänge und langen Spinkohärenzzeiten. In dieser Arbeit untersuchen wir die kohärente Mikrowellenkontrolle von SnV-Zentren in supraleitenden Wellenleitern und adressieren dabei zentrale Herausforderungen wie phononinduzierte Dekohärenz, Verspannungseffekte und mikrowelleninduzierte Erwärmung. Zunächst analysieren wir die fundamentalen elektronischen und spindynamischen Eigenschaften der SnV-Zentren und leiten einen effektive Hamiltonoperator her, welcher Spin-Bahn-Kopplung, Verspannung und Zeeman-Wechselwirkungen berücksichtigt. Durch präzise experimentelle Messungen der optisch erlaubten und verbotenen Übergänge im Magnetfeld bestimmen wir die Quantisierungsachse des SnV-Zentrums mit bisher unerreichter Genauigkeit. Dies ermöglicht es uns die unterdrückte orbitale Zeeman-Wechselwirkung in den Spin-Bahn-Dupletts des optischen Grund- und angeregten Zustands zu beschreiben. Da die Leistungsfähigkeit des SnV-Zentrums als Qubit stark von der Stabilität seiner optischen Übergänge abhängt, stellen wir eine rigorose Methode vor, die zur Identifikation geeigneter Emitter in Diamantproben mit schlechter Oberflächenqualität und geringem Ertrag Erfolg verspricht. Darüber hinaus analysieren wir die Spindynamik des SnV-Zentrums im Hinblick auf Spininitialisierung, Auslese und phononinduzierte Dekohärenz. Besonderes Augenmerk legen wir auf die Auswirkungen eines externen Magnetfelds, um die optimalen Messbedingungen für eine kohärente Kontrolle zu identifizieren. Durch die Verwendung des SnV-Zentrums als kalibrierten Temperatursensor charakterisieren wir die Verluste normal- und supraleitender koplanarer Wellenleiter, was uns ermöglicht, den Beitrag supraleitender Wellenleiter zur Minderung thermischer Effekte und zur Erhaltung der Qubitleistung zu untersuchen. Mithilfe von dynamischen Entkopplungstechniken demonstrieren wir verbesserte Kohärenzzeiten und setzen mit $T_2 = 10\,$ms einen neuen Rekord für die SnV-Zentrum-Plattform. Diese Ergebnisse tragen zur Entwicklung robuster Spin-Photonen-Schnittstellen und hybrider Quantencomputerarchitekturen bei und zeigen das Potenzial von SnV-Zentren für Quantennetzwerke und verteiltes Quantencomputing auf.

•Jan 1, 2025•0 citations
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