Quantentechnologien auf Grundlage von Diamanten
Simulationsmodelle der Welt der Physik haben maßgebliche Bedeutung für die Weiterentwicklung wissenschaftlicher Erkenntnisse und die Entwicklung von Technologien. Es gibt jedoch immer noch offene Fragen, die letztlich Simulationen beantworten könnten, die aber unsere derzeitigen technischen Fähigkeiten übersteigen. Im Rahmen des Projekts 'Quantum dynamics and entanglement in complex many-body systems' (QUANTUM DEMS) wurde eine spannende Möglichkeit entdeckt: eigens dafür vorgesehene Quantensimulatoren. Auch die durchgeführten Proof-of-Concept-Experimente lassen ahnen, dass Quantensimulationen eine zuverlässige Möglichkeit darstellen. Die QUANTUM DEMS-Forscher entwickelten einen Typ der Quanten-Hardware, der von praktischem Interesse für großangelegte Quantensimulationen ist. Im Einzelnen wurden großmaßstäbliche Atomgitter mit aneinander gekoppelten Kernspins durch chemische Steuerung des Abbruchs einer Diamantoberfläche konstruiert. Dieses System kann technisch derart entwickelt werden, dass eine Vielzahl von Modellen der Supersolidität und des Magnetismus bei Raumtemperatur simuliert werden kann. Die Quantensimulator wird mit sogenannten Stickstoffleerstellen initialisiert und gesteuert, die außerdem dazu verwendet werden, die Resultate der Simulationen einzulesen. Die Zentren der Stickstoffleerstellen wurden erzeugt, indem Stickstoffatome ein paar Nanometer unter der Oberfläche des Diamanten entfernt wurden. Die Forscher von QUANTUM DEMSM bewiesen anhand von umfangreichen Monte-Carlo-Simulationen, dass der neue Quantensimulator zur Erkundung von Vielteilchensystemen dienen kann. Ferner bildeten die Stickstoffleerstellen in dem polykristallinen Diamant die Grundlage für den Bau eines hochempfindlichen Quantensensors. Dank der überlegenen Kohärenz der Kernspins können mit dem Quantensensor Messungen des magnetischen und elektrischen Felds sowie der Temperatur mit Nanometer-Raumauflösung durchgeführt werden. Ein dem Machbarkeitsnachweis dienendes Experiment hat gezeigt, dass er zur Erforschung einzelner Elektronen und Kerne verwendet werden kann. QUANTUM DEMS rechnet mit dem eventuellen Einsatz von Quantensimulatoren zur Untersuchung von quasi-dreidimensionalen Quantensystemen und verschiedenen komplexen biologischen und chemischen Prozessen. Zusammen mit dem Quantensensor ermöglichen die Projektaktivitäten die Transformation von Wissen in echte Spitzentechnologien.