Infor­ma­tion in einem Quan­ten­sys­tem abzu­spei­chern ist schwer, sie geht meist rasch ver­lo­ren. An der TU Wien erzielte man nun ultra­lange Spei­cher­zei­ten mit win­zi­gen Diamanten.

Mit Quan­ten­teil­chen kann man Infor­ma­tion spei­chern und mani­pu­lie­ren und das ist die Basis für viele viel­ver­spre­chende Tech­no­lo­gien, vom hoch­sen­si­blen Quan­ten-Sen­sor über Quan­ten-Kom­mu­ni­ka­tion bis zum Quan­ten-Com­pu­ter. Ein gro­ßes Pro­blem dabei ist aller­dings, dass es sehr schwie­rig ist, in einem quan­ten­phy­si­ka­li­schen Sys­tem Infor­ma­tion über lange Zeit zu spei­chern. Durch Wech­sel­wir­kun­gen mit der Umge­bung geht die Quan­ten­in­for­ma­tion oft schon nach Sekun­den­bruch­tei­len unwie­der­bring­lich verloren.
An der TU Wien gelang es nun mit Hilfe spe­zi­el­ler Dia­man­ten, Quan­ten­in­for­ma­tion über Stun­den zu kon­ser­vie­ren. Damit ist diese Art der Quan­ten­in­for­ma­tion sogar sta­bi­ler als die klas­si­sche Infor­ma­tion, die im Arbeits­spei­cher unse­rer Com­pu­ter gespei­chert ist. Die For­schungs­er­geb­nisse wur­den nun im Fach­jour­nal „Nature Mate­ri­als“ veröffentlicht.

Dia­man­ten mit Defekt
„Wir ver­wen­den win­zige Dia­man­ten, die ganz gezielt mit klei­nen Defek­ten ver­se­hen wur­den“, erklärt Johan­nes Majer, For­schungs­grup­pen­lei­ter am Atom­in­sti­tut der TU Wien. Nor­ma­ler­weise besteht ein Dia­mant nur aus Koh­len­stoff­ato­men. Durch Bestrah­lung des Dia­man­ten kann man aber errei­chen, dass an bestimm­ten Stel­len statt eines Koh­len­stoff­atoms ein Stick­stoff­atom in die Dia­mant­struk­tur ein­ge­baut wird, und dane­ben bleibt dann eine Stelle im Kris­tall­git­ter unbe­setzt. Sol­che „Git­ter­feh­ler“ bezeich­net man als NV-Zen­tren (N für Stick­stoff und V für die vakante Git­ter­stelle). Das Stick­stoff­atom und die Fehl­stelle kön­nen unter­schied­li­che Zustände anneh­men und so kön­nen diese Git­ter­feh­ler-Stelle ver­wen­den wer­den um ein Quan­ten­bit an Infor­ma­tion abzuspeichern.
Nicht alle Dia­man­ten mit Defek­ten wei­sen jedoch 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 8 Stun­den gemes­sen wer­den. „Diese wun­der­ba­ren Ergeb­nisse waren für uns anfangs kaum zu glau­ben“, so Majer.
Man ging dem Phä­no­men daher durch Com­pu­ter­si­mu­la­tio­nen auf den Grund. Johan­nes Gug­ler und Peter Mohn (eben­falls TU Wien) führ­ten auf­wän­dige Berech­nun­gen durch und konn­ten erklä­ren, dass die außer­or­dent­li­che Sta­bi­li­tät der Dia­mant-Quan­ten­spei­cher auf das beson­ders steife Dia­mant­git­ter zurück­zu­füh­ren ist. „Wäh­rend in ande­ren Mate­ria­lien Git­ter­schwin­gun­gen rela­tiv rasch dazu füh­ren könn­ten, dass die gespei­cherte Infor­ma­tion ver­lo­ren geht, ist die Kopp­lung der Quan­ten­in­for­ma­tion an die Git­ter­schwin­gun­gen im Dia­man­ten recht gering, und die Ener­gie kann über Stun­den gespei­chert wer­den“, erläu­tert Tho­mas Ast­ner von der TU Wien.