Het opslaan van informatie in een kwantumgeheugensysteem is een moeilijke uitdaging, omdat de gegevens meestal snel verloren gaan. Aan de TU Wenen, ultralange opslagtijden zijn nu bereikt met behulp van kleine diamanten.

Met kwantumdeeltjes, informatie kan worden opgeslagen en gemanipuleerd – dit is de basis van veel veelbelovende technologieën, zoals extreem gevoelige kwantumsensoren, kwantumcommunicatie of zelfs kwantumcomputers. Er is, echter, een groot probleem:het is moeilijk om informatie voor een lange periode op te slaan in een kwantumfysisch systeem. De kwantuminformatie heeft de neiging om binnen fracties van een seconde te verdwijnen als gevolg van interacties met de omgeving.

Bij de TU Wien is het nu mogelijk om kwantuminformatie urenlang op te slaan met behulp van speciale diamanten. Dit maakt de kwantuminformatie nog stabieler dan de conventionele informatie die is opgeslagen in het werkgeheugen van onze computers. De resultaten van dit onderzoek zijn nu gepubliceerd in het tijdschrift Natuurmaterialen .

Diamanten met gebreken

Bij de TU Wien wordt gebruik gemaakt van een speciaal kwantumsysteem, die over de hele wereld grote belangstelling heeft gewekt. "We gebruiken kleine diamanten die opzettelijk zijn ingezaaid met kleine defecten, " zegt Johannes Majer, Onderzoeksgroepleider bij het Institute of Atomic and Subatomic Physics aan de TU Wien. Normaal gesproken bestaat een diamant alleen uit koolstofatomen. Door de diamant te bestralen, het is mogelijk om op bepaalde punten een stikstofatoom in de diamantstructuur te brengen in plaats van een koolstofatoom, die dan een onbezet punt in het kristalrooster ernaast achterlaat. Dit "roosterdefect" staat bekend als een NV-centrum of stikstof-leegstandcentrum. Het stikstofatoom en de lege plek kunnen verschillende toestanden aannemen, dus deze plaats van het roosterdefect kan worden gebruikt om een ​​informatiekwantumbit op te slaan.

Doorslaggevend is hoe lang deze informatie stabiel blijft. "De tijdschaal waarin een kwantumbit typisch zijn energie verliest en daarmee de opgeslagen informatie is technologisch een van de belangrijkste kenmerken van zo'n kwantumbit, " legt Thomas Astner uit, de hoofdauteur van de publicatie. "Het is daarom cruciaal om de oorzaak van het energieverlies en de snelheid van dit proces te begrijpen."

Voor de eerste keer, wetenschappers van het Instituut voor Atoom- en Subatomaire Fysica van de TU Wien hebben nu experimenteel de karakteristieke periode kunnen bepalen waarin de diamantfouten hun kwantuminformatie verliezen. De diamanten waren gekoppeld aan microgolven zodat kwantuminformatie kan worden geschreven en gelezen. De speciale microgolfresonator die voor dit doel wordt gebruikt, is in 2016 ontwikkeld door Andreas Angerer aan de TU Wien. met grote precisie, hoeveel energie er nog in de diamant wordt opgeslagen.

Recordtijden

De metingen zijn uitgevoerd bij zeer lage temperaturen, net boven het absolute nulpunt, bij 20 millikelvin. Warmte zou de systeemomgeving verstoren en de kwantuminformatie wissen. Het werd duidelijk dat de diamanten hun informatie enkele uren kunnen opslaan, veel langer dan voor mogelijk werd gehouden. "De informatie in de D-RAM-chip van een gewoon computergeheugen is veel minder stabiel. Daar gaat de energie binnen een paar honderd milliseconden verloren, wat betekent dat de informatie dan moet worden ververst, ’ zegt Johannes Majer.

Niet alle diamanten met gebreken bieden dezelfde bewaartermijnen. Het record is in handen van een speciale diamant die is vervaardigd door het team dat samenwerkt met Junichi Isoya aan de Universiteit van Tsukuba in Japan. Het werd gedurende enkele maanden bestraald met elektronen om zoveel mogelijk N-V-centrumdefecten te genereren zonder enige andere nadelige effecten te introduceren. In deze diamant kon een kwantumopslagperiode van 8 uur worden gemeten.

"Aanvankelijk konden we deze prachtige resultaten nauwelijks geloven, ", zegt Johannes Majer. Het fenomeen werd daarom grondig onderzocht met behulp van computersimulaties. Johannes Gugler en professor Peter Mohn (ook aan de TU Wien) voerden complexe berekeningen uit die leidden tot de verklaring dat de buitengewone stabiliteit van diamantkwantumopslag te wijten is aan de bijzonder stijve "Terwijl andere materialen roostertrillingen vertonen die snel kunnen leiden tot het verlies van de opgeslagen informatie, de koppeling van kwantuminformatie aan de roostertrillingen is erg zwak in diamanten en energie kan urenlang worden opgeslagen, ", zegt Thomas Astner.