Die Quantenforschungseinrichtung QuTech, eine gemeinsame Einrichtung der Technischen Universität Delft und der niederländischen Organisation für angewandte Naturwissenschaften TNO, hat eine effiziente, kohärente Licht-Materie-Schnittstelle demonstriert, die Quantenemitter von Zinn-Vakanz-Farbzentren in Diamant mit Photonen in einem nanophotonischen Hohlraum verbindet. Die unter der Leitung von Professor Ronald Hanson erzielten Ergebnisse wurden in der Zeitschrift Physical Review X veröffentlicht. Das Forschungsteam erreichte in einem Diamant-Photonenkristallhohlraum eine kohärente Kooperativität von Zinn-Vakanz-Farbzentren von über 1. Dieser Wert zeigt, dass nützliche kohärente Quantenwechselwirkungen das Dekohärenzrauschen überwiegen können, und bietet eine experimentelle Grundlage für einen zuverlässigeren „Handschlag" zwischen festkörperbasierten Quantenbits und fliegenden Photonen-Qubits.
Das Zinn-Vakanz-Farbzentrum ist ein künstlicher Defekt im Diamantgitter, der aus einem Zinnatom und einer Kohlenstofffehlstelle besteht. Es verhält sich wie ein atomähnliches Quantensystem, das in einen Festkörper eingebettet ist, sowohl Quanteninformationen speichern als auch mit Licht wechselwirken kann.
Das Quanteninternet und modulares Quantenrechnen erfordern die Verbindung zweier Arten von Quantenträgern: Festkörper-Quantenbits auf einem Chip zur Speicherung und Verarbeitung von Informationen sowie Photonen-Qubits zur Übertragung von Quantenzuständen zwischen verschiedenen Knoten. Die Herausforderung besteht darin, dass festkörperbasierte Defekte durch Rauschen des umgebenden Materials beeinträchtigt werden und Photonen in extrem kurzer Zeit eine hochgenaue Wechselwirkung mit dem Emitter eingehen müssen. Eine gewöhnliche Lumineszenzverstärkung zeigt lediglich eine hellere Emission an, garantiert jedoch nicht die für Quantenprotokolle erforderliche Kohärenz. In dieser Arbeit von QuTech wurde das Zinn-Vakanz-Farbzentrum in einen Diamant-Photonenkristallhohlraum eingebettet. Der Nanohohlraum konzentriert das Lichtfeld auf den Bereich des Defekts, verstärkt die Wechselwirkung zwischen dem einzelnen Quantenemitter und den Photonen und bestätigt durch Linienbreitenmessungen eine kohärente Kooperativität von über 1.
„Über 1" entspricht einer wichtigen experimentellen Schwelle. Es zeigt, dass die kohärente Kopplungsstärke ausreicht, um die Auswirkungen der Umgebungsdekoheränz zu überwiegen, und das System beginnt, in einen Arbeitsbereich einzutreten, der besser für die Übertragung von Quantenzuständen und die Erzeugung von Fernverschränkung geeignet ist.
Das Forschungsteam zeigte auch Anzeichen für die Skalierbarkeit der Bauelementherstellung. Sie vermaßen 327 Diamant-Nanophotonik-Bauelemente auf zwei Chips und erzielten einen hohen durchschnittlichen Gütefaktor und eine gute Bauelementausbeute; in zwei Schlüsselbauelementen verstärkte das hohlraumgekoppelte Zinn-Vakanz-Farbzentrum die Photonenemission in der Zieloptikmode signifikant. Laut der QuTech-Website kann ein einzelner Quantenemitter, wenn der optische Hohlraum und das Zinn-Vakanz-Farbzentrum in Resonanz gebracht werden, das durchgelassene Licht im Hohlraum stark modulieren und die Lichtübertragung durch den Hohlraum nahezu vollständig unterbrechen. Dies zeigt, dass ein einzelner Festkörper-Quantenemitter eine starke Kontrolle über ein Lichtfeld auf der Ebene einzelner Photonen ausüben kann, was eine Gerätegrundlage für die zukünftige Vernetzung mehrerer Quantenknoten bietet.
Die Anwendungsrichtung dieser Ergebnisse konzentriert sich auf Quantennetzwerke. Zukünftige Quantenknoten müssen lokal Quantenspeicherung und -verarbeitung durchführen und dann Quanteninformationen über Photonen an entfernte Knoten senden, um Fernverschränkung und verteilte Quantenrechnungsverbindungen zu schaffen.
Der Vorteil der Diamant-Farbzentrum-Route liegt in der Fähigkeit zur Festkörperintegration und dem Potenzial für optische Schnittstellen. Das Zinn-Vakanz-Farbzentrum weist im Vergleich zu einigen anderen Farbzentren-Systemen gute optische und Spineigenschaften auf und eignet sich für den Aufbau von Chip-Bauelementen für Quantennetzwerke. Der Nanohohlraum übernimmt die Rolle der „Wechselwirkungsverstärkung", indem er die ursprünglich schwache Emitter-Photon-Wechselwirkung in eine optische Mode mit kleinerem Volumen und höherer Feldstärke komprimiert. Nachdem die kohärente Kooperativität 1 überschritten hat, kann sich die weitere Forschung auf die Erzeugung von Fernverschränkung, Quantenrelaisknoten, die Verbindung modularer Quantenprozessoren und On-Chip-Quantenphotonik-Schnittstellen konzentrieren. Ronald Hanson erwähnte in den von QuTech veröffentlichten Inhalten auch, dass dieses Ergebnis dazu beiträgt, Verschränkungen zwischen entfernten Knoten schneller und zuverlässiger zu erzeugen, und für die Zusammenarbeit von QuTech mit Fujitsu zur Förderung des modularen Quantenrechnens von Bedeutung ist.
Für die Technik müssen noch mehrere Herausforderungen gelöst werden. Quantennetzwerke benötigen eine große Anzahl von Bauelementen mit konsistenter Leistung. Die hervorragenden Kennwerte einzelner Proben müssen in Fähigkeiten wie Serienfertigung, stabile Abstimmung, Tieftemperaturbetrieb, Faserkopplung, langfristige Zuverlässigkeit und systemweite Steuerung umgesetzt werden. Die Frequenzanpassung von Zinn-Vakanz-Farbzentren und Photonenkristallhohlräumen, die Kontrolle der Defektposition, die Unterdrückung von Materialschäden, das Management von Dekohärenzrauschen und die Verbindung mehrerer Knoten werden den Umfang nachfolgender Systeme beeinflussen. Die von QuTech präsentierten Messergebnisse von 327 Bauelementen liefern ein positives Signal für die skalierbare Fertigung; die kohärente Kooperativität von über 1 treibt die Fähigkeit der Bauelemente von einer „helleren Leuchtschnittstelle" zu einer „Schnittstelle, die hochgenaue Quantenprotokolle ausführen kann".
Diese Forschung von QuTech in den Niederlanden markiert einen Fortschritt der Quantenphotonik-Schnittstelle auf Basis von Zinn-Vakanz-Farbzentren in Diamant hin zu praktischen Quantennetzwerken. Es löst nicht nur das Problem der Lumineszenzeffizienz, sondern die Frage, ob eine zuverlässige Quantenwechselwirkung zwischen festkörperbasierten Quantenbits und fliegenden Photonen unter rauscharmen Bedingungen möglich ist. Mit der Ausweitung des Quantenrechnens von Einzelchips auf modulare Architekturen und der Entwicklung des Quanteninternets von experimentellen Verbindungen zu Mehrknotennetzwerken werden solche effizienten, kohärenten und skalierbaren Licht-Materie-Schnittstellen zu einem Schlüsselelement der zugrundeliegenden Hardware.