Quanten-Diamanten

Außerdem reagieren Stickstoff-Fehlstellenzentren sehr stark auf externe Magnetfelder. Und: Sie lassen sich mit Mikrowellen und optischen Lasern gut manipulieren und auslesen. Deshalb kann man mit ihnen winzige und dennoch hochempfindliche Magnetsensoren bauen. Quantensensoren mit solchen Fehlstellen in einer Diamantnadel gibt es sogar bereits zu kaufen. „Damit lassen sich etwa neuartige Supraleiter und andere innovative Materialien haarfein abtasten“, stellt Jörg Wrachtrup fest, Leiter des 3. Physikalischen Instituts an der Universität Stuttgart. Seine Forschungsgruppe entwickelt derzeit verschiedene innovative Technologien, bei denen solche Quantensensoren eine zentrale Rolle spielen.

„Wir arbeiten zum Beispiel an einem neuartigen Endoskop, mit dem Ärzte im Körperinneren Gewebe identifizieren können, sowie an Magnetsensoren, mit denen sich berührungsfrei Prototypen neuer Batterien untersuchen lassen“, berichtet Wrachtrup. Künftig könnten solche Fehlstellenzentren auch bei der Navigation zum Einsatz kommen, indem sie zur hochpräzisen Messung des Erdmagnetfeldes dienen.

Echte Multitalente

Doch die atomaren Defekte eignen sich für viel mehr als nur für die Magnetfeldmessung. „Auf diesem Gebiet ist die Technologieentwicklung zwar am weitesten fortgeschritten“, stellt der Heidelberger Physiker Pernice fest, „aber man kann noch viel mehr mit ihnen machen und sie etwa als Knotenpunkte in einem Quantennetzwerk einsetzen.“ Der Grund dafür liegt darin, dass sich in solchen Fehlstellenzentren Quanteninformation speichern und wieder abrufen lässt. Dazu wird beispielsweise ein Lichtteilchen, also ein Photon, über eine Glasfaserleitung zu einem Fehlstellenzentrum geschickt, das mit dem Photon wechselwirkt.

„Wenn alles gut läuft, übernimmt das Fehlstellenzentrum die Quanteninformation des Photons“, erläutert Pernice. Auf diese Weise lässt sich die Quelle des Photons, von der es seine ursprüngliche Quanteninformation erhalten hat, mit dem Fehlstellenzentrum verschränken. „Die sogenannte Verschränkung ist das Geheimnis hinter der ganzen Quantentechnologie“, betont Jörg Wrachtrup. „Sie lässt sich mit gewöhnlichen Alltagskonzepten nicht einfach erklären, aber sie verbindet zwei entfernte Objekte zu einem Quantensystem mit gemeinsamen Eigenschaften.“ Dieses Merkmal macht die enorme Leistungsfähigkeit von Quantencomputern überhaupt erst möglich.

Mithilfe eines bestimmten Protokolls lässt sich das Fehlstellenzentrum über Mikrowellen- und Laserstrahlung so manipulieren, dass es die Quanteninformation weiter auf ein benachbartes Fehlstellenzentrum überträgt. Dieses kann dann beispielsweise ein neues Photon auf den Weg schicken und dadurch als Knotenpunkt in einem Quantennetzwerk fungieren. Ein solcher Knoten, der drei Parteien miteinander verbindet, bestünde folglich einfach aus drei nahe beieinandergelegenen Fehlstellenzentren, die sich in eine gegenseitige Wechselwirkung bringen lassen.

Ein Quantennetzwerk mit solchen Knotenpunkten könnte nicht nur der Quantenkommunikation dienen, sondern etwa auch Quantencomputer miteinander vernetzen und dadurch deren Rechenpower noch erhöhen. Allerdings: Um die Photonen möglichst geschickt und zuverlässig mit den Fehlstellenzentren zu koppeln, müssen sich die Forscher allerhand einfallen lassen. „Mittlerweile ist ein ganzes Forschungsgebiet der Nanophotonik entstanden“, sagt Pernice. „So versuchen wir an unserem Institut, mit Ätzverfahren winzige Balken aus Diamant mit nur einem Fehlstellenzentrum zu erzeugen, damit die Photonen besser daran koppeln können.“

Allerdings gibt es nicht bloß Stickstoff-Fehlstellenzentren, sondern es sind rund 200 verschiedene Arten von Fehlstellenzentren bekannt. Zwar ist die Variante mit Stickstoff schon seit einigen Jahrzehnten bekannt und auch am besten erforscht – vor allem, weil Atome des Stickstoffs ihre Quanteneigenschaften auch bei Raumtemperatur behalten. Doch in letzter Zeit widmen sich etliche Forschergruppen weltweit auch anderen Varianten von Fehlstellenzentren, beispielsweise solchen mit Silizium-, Germanium- oder Zinnatomen.

Kühlung bis nahe dem absoluten Nullpunkt

„Silizium-Fehlstellen haben den Vorteil, dass sie besonders schmalbandiges Licht emittieren, also Photonen mit einer sehr eng definierten Wellenlänge“, erläutert Jörg Wrachtrup. Das macht den Bau von Komponenten für ein Quantennetzwerk einfacher. Allerdings müssen diese Fehlstellenzentren bis auf rund zwei Zehntelgrad über dem absoluten Nullpunkt bei minus 273 Grad Celsius gekühlt werden, was einen enorm großen technischen Aufwand erfordert.

Dagegen müssen Fehlstellenzentren mit Zinn- oder Germaniumatomen lediglich bis auf wenige Grad über dem absoluten Nullpunkt gekühlt werden. „Das klingt nach keinem großen Unterschied, ist aber in der Tat sehr viel einfacher“, betont der Stuttgarter Wissenschaftler. Deshalb testen Forschungsgruppen weltweit derzeit die verschiedenen Optionen.

Mit Blick auf die besser etablierten Stickstoff-Fehlstellenzentren gibt es bereits etliche Start-up-Unternehmen, die marktreife Komponenten anbieten oder noch entwickeln. Neben Bauteilen für Quantennetzwerke oder Quantencomputer gibt es inzwischen auch Quantentechnologie-Demonstratoren für Universitäten oder Schulen im Angebot. Bei der Steuerung von Prothesen sollen Fehlstellenzentren helfen, indem sie die schwachen elektrischen Stromsignale der Nervenbahnen des menschlichen Körpers aufzeichnen und an eine Steuerzentrale übermitteln. Und wenn man an die Messung des Erdmagnetfelds denkt, dann werden sich vielleicht schon bald Quantensensoren an Bord von autonomen Fahrzeugen oder sogar im Inneren von Smartphones befinden.

Wenn das keine glänzenden Aussichten für die Quantenforschung mit Diamanten sind! ■

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