Kohärentes Spin-Photon-System mit vielversprechenden Eigenschaften für Quantennetzwerk-Knoten demonstriert –
Farbzentren auf Basis von Gruppe IV-Atome sind Defekte in der Diamantgitterstruktur, die stabile optische Übergänge sowie adressierbare Elektronenspins aufweisen. Besonders relevant ist die Kontrolle der umgebenden Kernspins, da diese aufgrund ihrer langen Kohärenzzeit als robuste Quantenspeicher in der Quanteninformationsverarbeitung dienen können. In Kombination mit optisch adressierbaren Spindefekten in Diamant ergeben sich vielversprechende Spin-Photon-Schnittstellen – zentrale Bausteine für zukünftige Quantennetzwerke.
Trotz signifikanter Fortschritte bei der Verlängerung der Kohärenzzeiten von Elektronenspins waren bisherige Systeme für skalierbare Quantennetzwerke noch nicht ausreichend. Vor diesem Hintergrund haben Forschende aus dem QR.N-Verbund an den Standorten Karlsruhe und Saarbrücken Mitte März in Physical Review X ein neues Paper veröffentlicht, in dem sie über die hochpräzise Kontrolle eines einzelnen, stark gekoppelten 13C-Kernspins in der Nähe eines negativ geladenen Zinn-Fehlstellen-Zentrums (SnV) berichten. Mithilfe optisch detektierter Magnetresonanz wurde die Hyperfeinwechselwirkung charakterisiert und der Kernspin durch eine Kombination aus optischer und Mikrowellenanregung mit einer Genauigkeit von über 99 % in einen definierten Zustand initialisiert.
In dem Artikel demonstrieren die Forschenden zudem die kohärente Kontrolle eines einzelnen 13C-Kernspins, der an ein Zinn-Fehlstellen-Zentrum gekoppelt ist, unter Verwendung eines supraleitenden Wellenleiters zur effizienten Hochfrequenzansteuerung, wodurch die in das System eingebrachte Wärme minimiert wird. Durch die Kombination aus optischer und Mikrowellenanregung konnte eine Initialisierung in einen kombinierten Elektron-Kernspin-Zustand mit einer Genauigkeit von 99,74 % erreicht werden. Darüber hinaus zeigen die Experimente eine präzise Kernspinkontrolle, bei der die Kohärenzzeit des Kernspins mittels dynamischer Entkopplung auf bis zu 1,35 Sekunden verlängert werden konnte. Zusätzlich wurde eine Genauigkeit der Einzel-Qubit-Gatter von über 99,9 % durch randomisierte Benchmark-Tests nachgewiesen. Die Ergebnisse demonstrieren ein kohärentes Spin-Photon-System mit vielversprechenden Eigenschaften für den Einsatz als Knoten in Quantennetzwerken und unterstreichen das Potenzial von Zinn-Fehlstellen-Zentren als kohärente Spin-Photon-Schnittstellen für künftige Anwendungen in der Quantenkommunikation.
Quellennachweis: https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/bmc6-qvwq
