Quanten Spin-Phonon-Netzwerke mit Silizium-Fehlstellen-Zentren in Diamant

• Antragstellerin: Dr. Viviana Villafane
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 544483723

Eine Spin-Photonen-Schnittstelle (SPS) ist ein physikalisches System, das es ermöglicht, einzelne Spins und Photonen zu verbinden und so stationäre und fliegende Qubits zu verschränken. Sie ermöglichen eine zuverlässige Übertragung von Quantenzuständen zwischen entfernten Punkten in einem Quantennetzwerk, was die Implementierung von verteilten Quantencomputern und sicherer Quantenkommunikation unterstützt bzw. ermöglicht. Negativ geladene Silizium-Fehlstellen (SiV, engl. Silicon Vacancies) Zentren in Diamant (SiVs-) haben sich in jüngster Zeit als eine der führenden Technologien für SPS herauskristallisiert, da sie eine optisch übertragene Verschränkung von individuell kontrollierbaren Spins mit zusätzlichem Zugang zu mehreren langlebigen Kohlenstoff-Kernspins in ihrer Umgebung ermöglichen. Die interne Niveaustruktur der SiV- ist zudem perfekt geeignet, um Spin-Phonon-Verschränkung zu erzeugen: Aufgrund einer starken Spin-Bahn-Kopplung weisen SiV- einem zweifach gespaltenen Orbital und einen sog. spinentarteten Grundzustand auf, welcher durch eine Energie von 50 GHz getrennt ist. Ziel dieses Forschungsvorhabens besteht nun darin, eine neuartige "Spin-Photonen-Phononen-Schnittstelle" unter Verwendung von SiVs in Diamant und 50GHz-kohärenten akustischen Phononen zu etablieren. Wir werden eine optomechanische 0D-Struktur entwerfen, die einzelne SiV-Spins enthält, die an einen akusto-optischen Hohlraum mit hohem Qualitäts-Faktor (engl. High-Quality Factor) gekoppelt sind, der gleichzeitig mit den optischen SiV-Übergängen und einer mechanischen 50-GHz-Mode in Resonanz steht. Die starke akusto-optische Kopplung in diesen Strukturen wird ausgenutzt, um Spin-Initialisierungstechniken in SiVs durchzuführen, während das Wirtsdiamantgitter optisch gekühlt wird. Dadurch wird die Phononenpopulation bei ~50GHz verringert und die Spin-Dephasierung durch Einzelphononenabsorption bei ~4K unterdrückt, so dass der Einsatz komplexer Verdünnungskühlschränke, die bei ~mK betrieben werden, überflüssig wird. Darüber hinaus werden wir durch den kohärenten akustischen Hochfrequenzantrieb des SiVs die Auswahlregeln für den Mikrowellenantrieb weniger strikt fassen können als die, die für SiVs in Diamant bislang gelten. Da unsere Bauelemente im Bereich der starken Kopplung arbeiten, werden sie den Quantenzustandstransfer zwischen dem SiV-Spin-Qubit und einzelnen akustischen 50-GHz-Phononen über Jaynes-Cummings-Wechselwirkungen aufrechterhalten. Letztendlich werden wir die Übertragung zwischen verschiedenen physikalischen Freiheitsgraden erleichtern und einen noch nie dagewesenen Zugang zu den Quanteneigenschaften dieser gekoppelten Systeme erhalten. Im Rahmen unseres Projekts werden wir physikalische Regime verfügbar machen, in denen Licht, Spin-Qubits und Phononen auf der Ebene einzelner Teilchen gekoppelt und in einer Festkörperplattform miteinander verbunden sein werden.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen
• Großgeräte: Tunable ps laser system
• Gerätegruppe: 5700 Festkörper-Laser