Atomdefekter i diamanter kan användas som kvantminnen. Forskare vid TU Wien har för första gången lyckats koppla ihop defekterna i olika diamanter med hjälp av kvantfysik.

Diamanter med små brister kan spela en avgörande roll i framtiden för kvantteknologi. Sedan en tid tillbaka, forskare vid TU Wien har studerat kvantegenskaperna hos sådana diamanter, men först nu har de lyckats koppla de specifika defekterna i två sådana diamanter med varandra. Detta är en viktig förutsättning för utvecklingen av nya applikationer, som högkänsliga sensorer och switchar för kvantdatorer. Resultaten av forskningen kommer nu att publiceras i tidskriften Fysiska granskningsbrev .

På jakt efter ett lämpligt kvantsystem

"Tyvärr, kvanttillstånd är mycket ömtåliga och förfaller mycket snabbt", förklarar Johannes Majer, chef för hybrid kvantforskningsgruppen, baserad på Institute of Atomic and Subatomic Physics vid TU Wien. Av denna anledning, fördjupad forskning bedrivs i syfte att hitta kvantsystem som kan användas för tekniska tillämpningar. Även om det finns några lovande kandidater med särskilda fördelar, hittills har det inte funnits något system som uppfyller alla krav samtidigt.

"Diamanter med mycket specifika defekter är en potentiell kandidat för att göra kvantdatorer till verklighet", säger Johannes Majer. En ren diamant består enbart av kolatomer. I vissa diamanter, dock, det kan finnas punkter där det finns en kväveatom istället för en kolatom och intill denna, inom diamantens atomstruktur, det finns en anomali där det inte finns någon atom alls – detta kallas en "ledig plats". Denna defekt, bestående av kväveatomen och vakans, bildar ett kvantsystem med ett mycket långvarigt tillstånd, att göra diamanter med dessa speciella brister som är idealiska för kvantexperiment.

Allt beror på kopplingen

En viktig förutsättning för många kvantteknologiska tillämpningar är verkligen förmågan att koppla ihop sådana kvantsystem, vilket hittills knappast varit möjligt för diamantsystem. "Samverkan mellan två sådana kvävevakansdefekter är extremt svag och har bara en räckvidd på cirka 10 nanometer", säger Majer.

Dock, denna bedrift har nu uppnåtts; om än med hjälp av ett supraledande kvantchip som producerar mikrovågsstrålning. Sedan ett antal år tillbaka teamet vid TU Wien har undersökt hur diamanter kan manipuleras med hjälp av mikrovågor:"miljarder kvävevakansdefekter i diamanter är sammankopplade med ett mikrovågsfält", säger Majer. "På det här sättet, diamanternas kvanttillstånd kan manipuleras och läsas ut."

Nu, teamet har lyckats ta nästa steg:de kunde koppla ihop två olika diamanter, en i varje ände av chipet, vilket skapar en interaktion mellan de två diamanterna. "Denna interaktion förmedlas av mikrovågsresonatorn i chipet däremellan; här, resonatorn spelar en liknande roll som en databuss i en vanlig dator", säger Johannes Majer.

Kopplingen mellan de två diamanterna kan slås på och av selektivt:"de två diamanterna roteras mot varandra i en viss vinkel", rapporterar Thomas Astner, huvudförfattaren till det aktuella verket. "Dessutom, ett magnetfält appliceras, med riktningen som spelar en avgörande roll:om båda diamanterna är inriktade i samma vinkel inom magnetfältet, sedan kan de kopplas med hjälp av kvantfysik. Med andra magnetfältsriktningar, det är möjligt att undersöka de enskilda diamanterna utan koppling". De första stegen i experimentet tog Noomi Peterschofsky som en del av hennes grundexamen. Thomas Astner och Stefan Nevlacsil lyckades därefter demonstrera diamanternas koppling i ett experiment som en del av deras magisteruppsats.