Implantieren von fehlerhaften Diamanten, als Schlüsseltechnologie für die Quantenkommunikation

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Diamanten sind für ihre Reinheit geschätzt, aber ihre Fehler könnten den Schlüssel zu einer neuen Art von hochsicherer Kommunikation halten. Wissenschaftler der Princeton University verwenden synthetische Diamanten, um ein Kommunikationsnetzwerk aufzubauen, das auf der Eigenschaft subatomarer Teilchen beruht, die für ihren Quantenzustand bekannt sind. 

Forscher glauben, dass solche Quanteninformationsnetzwerke sicher sind und auch neue Quantencomputer zusammenarbeiten könnten, um Probleme zu lösen, die derzeit nicht lösbar sind. Wissenschaftler, die diese Netze derzeit entwerfen, stehen jedoch vor mehreren Herausforderungen, darunter die Frage, wie man zerbrechliche Quanteninformationen über lange Distanzen erhalten kann. 

Nun haben die Forscher eine mögliche Lösung gefunden, bei der im Labor hergestellte Diamanten verwendet werden, die eine präzise Kontrolle der Beschaffenheit des Edelsteins ermöglichen.

Quanteninformationen​ und Qubits

In einem Artikel, der diese Woche in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht wurde, beschreiben die Forscher, wie sie Bits von Quanteninformationen, die als Qubits bekannt sind, speichern und übertragen konnten, indem sie einen Diamanten verwendeten, bei dem sie zwei Kohlenstoffatome durch ein Siliziumatom ersetzt hatten.

In Standard-Kommunikationsnetzwerken speichern Geräte, die als Repeater bezeichnet werden, Signale kurzzeitig und übertragen sie erneut, um zu ermöglichen, größere Entfernungen zurückzulegen. Nathalie de Leon, Assistenzprofessorin für Elektrotechnik an der Princeton University und leitende Forscherin, sagte, die Diamanten könnten als Quanten-Repeater für Netzwerke dienen, die auf Qubits basieren. Die Idee eines Quanten-Repeaters gibt es schon lange, "aber niemand wusste, wie man sie baut", sagte de Leon. 

Die größte Herausforderung bei der Entwicklung von Quanten-Repeatern bestand darin, ein Material zu finden, das Qubits speichern und übertragen kann. Bis jetzt ist der beste Weg, Qubits zu übertragen, sie in Lichtteilchen zu kodieren, die Photonen genannt werden. Optische Fasern, die derzeit in einem Großteil des Netzwerks verwendet werden, übertragen bereits Informationen über Photonen. Qubits in einer optischen Faser können jedoch nur kurze Entfernungen zurücklegen, bevor ihre speziellen Quanteneigenschaften verloren gehen und die Information verschlüsselt wird. Es ist schwierig, ein Photon einzufangen und zu speichern, welches sich per Definition mit Lichtgeschwindigkeit bewegt.

"Wir haben versucht, etwas zu finden, das als Hauptkomponente eines Quanten-Repeaters fungiert.

Leon

Diamanten​ als Speicher

Stattdessen haben Forscher nach Festkörpern wie Kristallen gesucht, um den Speicher bereitzustellen. In einem Kristall, wie einem Diamanten, könnten Qubits theoretisch von Photonen auf Elektronen übertragen werden, die einfacher zu speichern sind. Der Schlüssel zur Durchführung einer solchen Übertragung wären Fehler innerhalb des Diamanten, Orte, an denen andere Elemente als Kohlenstoff im Kohlenstoffgitter des Diamanten gefangen sind. Juweliere wissen seit Jahrhunderten, dass Unreinheiten in Diamanten verschiedene Farben erzeugen. Für das Leons Team stellen diese Farbzentren, die Unreinheiten heißen, eine Möglichkeit dar, Licht zu manipulieren und einen Quanten-Repeater zu erzeugen.

Frühere Forscher versuchten zunächst, Defekte, sogenannte Stickstoffleerstellen, zu verwenden - wobei ein Stickstoffatom an die Stelle eines der Kohlenstoffatome tritt -, fanden aber, dass diese Defekte zwar Informationen speichern, aber nicht die richtigen optischen Eigenschaften haben. Andere entschieden sich dann für die Untersuchung von Siliciumleerstellen - die Substitution eines Kohlenstoffatoms durch ein Silicium Atom. Aber den Silizium-Leerstellen fehlten lange Kohärenzzeiten, während sie die Information auf Photonen übertragen konnten.

Elektronenspins

Das Team unter Leitung von Princeton und ihre Mitarbeiter beschlossen, mit der elektrischen Ladung des Defekts zu experimentieren. Silicium Leerstellen sollten in der Theorie elektrisch neutral sein, aber es stellte sich heraus, dass andere in der Nähe befindliche Verunreinigungen elektrischer Ladungen, zu dem Defekt beitragen können. Das Team dachte, dass es eine Verbindung zwischen dem Ladungszustand und der Fähigkeit geben könnte, Elektronenspins in der richtigen Orientierung zu halten, um Qubits zu speichern.

Die Arbeit wurde von der National Science Foundation im Rahmen des EFRI-Programms ACQUIRE (Grant Nr. 1640959) und vom Princeton Centre for Complex Materials, einem Zentrum für Materialforschung und -technik (DMR-1420541), unterstützt. Dieses Material basiert auch auf Arbeiten, die vom Office of Scientific Research der Air Force unter der Nummer FA9550-17-0158 unterstützt werden. Das US-Energieministerium hat de Leon kürzlich für ihre Arbeit über die Eigenschaften von Diamantmaterial durch die Vergabe ihrer fünfjährigen Finanzierung, im Rahmen des Frühkarriereforschungsprogramms des Amtes für Wissenschaft, ausgezeichnet.

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