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Bild: TU Wien

Informationsspeicherung im Quantensystem Diamanten verlängern Speicherzeit

13.02.2018

Informationen in einem Quantensystem abzuspeichern ist schwer, sie können dort nämlich schnell verloren gehen. Nun wurden jedoch ultralange Speicherzeiten mit winzigen Diamanten erzielt.

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Mit Quantenteilchen kann man Information speichern und manipulieren. Dies stellt die Basis für viele Technologien dar, vom hochsensiblen Quanten-Sensor über Quanten-Kommunikation bis zum Quanten-Computer. Ein Problem stellt hierbei allerdings die Schwierigkeit dar, in einem quantenphysikalischen System Information über lange Zeit zu speichern. Durch Wechselwirkungen mit der Umgebung, geht die Quanteninformation oft schon nach Sekundenbruchteilen unwiederbringlich verloren.

Quanteninformation über Stunden konservieren

An der TU Wien gelang es nun, mit Hilfe spezieller Diamanten, Quanteninformation über Stunden zu konservieren. Somit ist diese Art der Quanteninformation stabiler als die klassische Information, die im Arbeitsspeicher eines Computers gesichert ist.

Defekte Diamanten

An der TU Wien kam ein spezielles Quantensystem zum Einsatz, an diesem wird mittlerweile auf der ganzen Welt geforscht. Dafür werden winzige Diamanten verwendet, die ganz gezielt mit kleinen Defekten versehen wurden. Normalerweise besteht ein Diamant nur aus Kohlenstoffatomen. Durch die Bestrahlung des Diamanten kann man jedoch erreichen, dass an bestimmten Stellen, statt eines Kohlenstoffatoms ein Stickstoffatom in die Diamantstruktur eingebaut wird. Daneben bleibt dann eine Stelle im Kristallgitter unbesetzt. Solche Gitterfehler bezeichnet man als NV-Zentren. Das Stickstoffatom und die Fehlstelle können unterschiedliche Zustände annehmen, somit kann man die Stelle des Gitterfehlers verwenden, um ein Quantenbit an Information abzuspeichern.

Gespeicherte Energie feststellen

Die entscheidende Frage ist, wie lange diese Information stabil bleibt. Am Atominstitut der TU Wien gelang es nun erstmals, die charakteristische Zeit, in der die Diamant-Defekte ihre Quanteninformation verlieren, experimentell zu bestimmen. Die Diamanten wurden an Mikrowellen angekoppelt, so wird es möglich die Quanteninformation einzuschreiben und wieder auszulesen. Mit dem verwendeten Mikrowellen-Resonator kann man hochpräzise feststellen, wie viel Energie noch in dem Diamant gespeichert ist.

Die Messungen wurden bei sehr tiefen Temperaturen durchgeführt, nämlich knapp über dem absoluten Temperatur-Nullpunkt, bei 20 Millikelvin. Bei höheren Temperaturen würde die Wärme der Umgebung das System stören und die Quanteninformation löschen. Dabei zeigte sich, dass die Diamanten ihre Information über mehrere Stunden speichern können.

Quantenspeicherzeit von acht Stunden

Jedoch nicht alle Diamanten mit Defekten weisen genau dieselbe Speicherzeit auf. Rekordhalter ist ein spezieller Diamant, der vom Team um Junichi Isoya an der Tsukuba Universität in Japan hergestellt wurde. Über mehrere Monate wurde er mit Elektronen bestrahlt, um möglichst viele NV-Defekte zu erzeugen ohne dabei andere störende Effekte hervorzurufen. In diesem Diamanten konnte eine Quanten-Speicherzeit von acht Stunden gemessen werden.

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