Atomaire defecten in diamanten kunnen worden gebruikt als kwantumgeheugens. Onderzoekers van de TU Wien zijn er voor het eerst in geslaagd om de defecten in verschillende diamanten te koppelen met behulp van kwantumfysica.

Diamanten met minuscule gebreken kunnen een cruciale rol spelen in de toekomst van de kwantumtechnologie. Sinds enige tijd, onderzoekers van de TU Wien hebben de kwantumeigenschappen van dergelijke diamanten bestudeerd, maar nu pas zijn ze erin geslaagd de specifieke gebreken in twee van dergelijke diamanten met elkaar te koppelen. Dit is een belangrijke voorwaarde voor de ontwikkeling van nieuwe toepassingen, zoals zeer gevoelige sensoren en schakelaars voor kwantumcomputers. De resultaten van het onderzoek worden nu gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven .

Op zoek naar een geschikt kwantumsysteem

"Helaas, kwantumtoestanden zijn erg kwetsbaar en vervallen heel snel", legt Johannes Majer uit, hoofd van de onderzoeksgroep hybride kwantum, gebaseerd op het Instituut voor Atoom- en Subatomaire Fysica van de TU Wien. Om deze reden, er wordt diepgaand onderzoek gedaan met als doel quantumsystemen te vinden die voor technische toepassingen kunnen worden gebruikt. Ook al zijn er enkele veelbelovende kandidaten met bijzondere voordelen, tot nu toe was er geen systeem dat aan alle eisen tegelijk voldoet.

"Diamanten met zeer specifieke defecten zijn een potentiële kandidaat om kwantumcomputers te realiseren", zegt Johannes Majer. Een zuivere diamant bestaat uitsluitend uit koolstofatomen. In sommige diamanten, echter, er kunnen punten zijn waar er een stikstofatoom is in plaats van een koolstofatoom en ernaast, binnen de atomaire structuur van de diamant, er is een anomalie waar er helemaal geen atoom is – dit wordt een 'vacature' genoemd. Dit gebrek, bestaande uit het stikstofatoom en leegstand, vormt een kwantumsysteem met een zeer langdurige staat, diamanten maken met deze specifieke gebreken die bij uitstek geschikt zijn voor kwantumexperimenten.

Het hangt allemaal af van de koppeling

Een belangrijke voorwaarde voor veel kwantumtechnologische toepassingen is inderdaad het vermogen om dergelijke kwantumsystemen aan elkaar te koppelen, wat tot nu toe nauwelijks mogelijk was voor diamantsystemen. "De interactie tussen twee van dergelijke stikstof-leegstanddefecten is extreem zwak en heeft slechts een bereik van ongeveer 10 nanometer", zegt Majer.

Echter, deze prestatie is nu bereikt; zij het met behulp van een supergeleidende kwantumchip die microgolfstraling produceert. Sinds een aantal jaren is het team van de TU Wien heeft onderzocht hoe diamanten kunnen worden gemanipuleerd met behulp van microgolven:"miljarden stikstof-vacature-defecten in diamanten zijn collectief gekoppeld aan een microgolfveld", zegt Majer. "Op deze manier, de kwantumtoestand van de diamanten kan worden gemanipuleerd en uitgelezen."

Nutsvoorzieningen, het team is erin geslaagd de volgende stap te zetten:ze konden twee verschillende diamanten koppelen, één aan elk uiteinde van de chip, waardoor een interactie tussen de twee diamanten ontstaat. "Deze interactie wordt gemedieerd door de microgolfresonator in de chip ertussen; hier, de resonator speelt een gelijkaardige rol als die van een databus in een gewone computer", zegt Johannes Majer.

De koppeling tussen de twee diamanten kan selectief worden in- en uitgeschakeld:"de twee diamanten worden onder een bepaalde hoek tegen elkaar gedraaid", meldt Thomas Astner, de hoofdauteur van het huidige werk. "Aanvullend, er wordt een magnetisch veld aangelegd, waarbij de richting een beslissende rol speelt:als beide diamanten onder dezelfde hoek zijn uitgelijnd binnen het magnetische veld, dan kunnen ze worden gekoppeld met behulp van kwantumfysica. Met andere magnetische veldrichtingen, het is mogelijk om de afzonderlijke diamanten te onderzoeken zonder koppeling". De eerste stappen in het experiment werden genomen door Noomi Peterschofsky als onderdeel van haar afstudeerscriptie. Thomas Astner en Stefan Nevlacsil slaagden er vervolgens in om de koppeling van de diamanten aan te tonen in een experiment als onderdeel van hun masterscriptie.