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H2020

NAMESTRANSIS — Ergebnis in Kürze

Project ID: 707364
Gefördert unter: H2020-EU.1.3.2.
Land: Niederlande
Bereich: Grundlagenforschung, Industrielle Technologien, Digitale Wirtschaft

Gerät in Nanogröße, das Licht und mechanische Bewegung koppelt, hat Potenzial für Quantencomputing

EU-finanzierte Wissenschaftler haben ein siliziumbasiertes optomechanisches Gerät in Nanogröße entwickelt, mit dem starke Kopplungen zwischen mechanischen Bewegungen und Licht aufgezeichnet werden können. Sie wollen das Gerät als Quantenwandler zwischen Spin-Quantenbits und Licht verwenden, was die Entwicklung von siliziumbasierten Quantencomputern bedeutend voranbringen könnte.
Gerät in Nanogröße, das Licht und mechanische Bewegung koppelt, hat Potenzial für Quantencomputing
Die Manipulation von Quanteneffekten in Materialien gewinnt immer mehr an Bedeutung. Ergebnis dessen sind technische Geräte mit einer von Grund auf überlegenen Leistung und überragenden Möglichkeiten. Erst kürzlich wurde berichtet, dass Elektronen, die an Spender in Silizium gebunden sind, über eine der längsten Quantenkohärenzzeit verfügen. Mit Phosphor verunreinigte Atome in Silizium zählen zu den am umfangreichsten untersuchten Atomen, die ihre Spinkohärenz beibehalten – das ist die Zeit, die es dauert, bis der Quantenzustand von der Umwelt zerstört wird.

In Lichtsignale umgewandelte Spin-Informationen

Damit ein funktionsfähiger Quantencomputer entwickelt werden kann, müssen eine Vielzahl von Qubits kontrolliert und die Qubit-Zustände übermittelt werden. Winzige optomechanische Strukturen könnten in Zukunft eine wichtige Rolle in Bezug auf den Fortschritt bei Quanteninformationen spielen. „Optomechanische Resonatoren in Nanogröße können als exzellente „Quantenwandler“ zwischen verschiedenen Systemen, wie Mikrowellen und Licht bzw. Qubits und Licht, dienen, denn sie fungieren dabei als Leiter für Quanteninformationen zwischen den separaten Systemen“, merkt Dr. Juha Muhonen an, Stipendiat von NAMESTRANSIS, einem Projekt im Rahmen der Marie Skłodowska-Curie-Maßnahmen.

Das wesentliche Ziel bestand in der Entwicklung eines siliziumbasierten optomechanischen Geräts, das eine Kopplung des Elektronen-Spins an die quantisierte Bewegung eines optomechanischen Resonators in Nanogröße ermöglicht, wobei die Bewegung dieser winzigen Struktur wiederum an optische Photonen gekoppelt wird. „Die Einbettung der durch Phosphor verunreinigten Atome in einen Wafer aus Silizium und die anschließende Codierung von Informationen in den Spin der entsprechenden Elektronen können genutzt werden, um Quanteninformationen zu speichern“, erklärt Dr. Muhonen. „Starke Kopplungsinteraktionen zwischen der mechanischen Bewegung des Resonators und dem Licht könnten dann für das Auslesen und Übermitteln der Quanteninformationen verantwortlich sein“, fügt Dr. Muhonen hinzu.

Unübertroffene Leistung

Das Projektteam untersuchte eine besondere Art von optomechanischem Resonator – eine „geschnittene photonische Nanostrahl-Kavität aus Kristall“ – der die Umwandlung von kleinen schwingenden Verschiebungen in Licht mit beispielloser Stärke zeigte.

Somit war die Projektarbeit nicht nur theoretisch und praktisch anspruchsvoll, sie hat sich auch gelohnt. „Wir haben festgestellt, dass sich unser optomechanisches Gerät komplett anders verhält als die aktuell verwendeten analytischen Modelle. Diese starke optomechanische Kopplung ließ sich darauf zurückführen, dass die Kavität Licht in Größenordnungen eingrenzen kann, die kleiner als die optische Wellenlänge sind. Das System zeigte nichtlineare Effekte auf, die einen starken Einfluss auf die optische Reaktion, die mechanische Messung der Verschiebung und den Strahlungsdruck haben“, unterstreicht Prof. Verhagen, der Leiter der Gruppe, die das Projekt durchführte.

Das Projektteam demonstrierte eine neue Messmethode für die Resonatorbewegung, die auf schnellen Lichtimpulsen basiert. „Durch die Nutzung von sehr schnellen Lichtimpulsen können Messungen erfolgen, die eine Rückwirkung verhindern. Damit lässt sich die Quantennatur der mechanischen Bewegung testen, indem nichtklassische mechanische Zustände erzeugt werden“, erklärt Dr. Muhonen. Darüber hinaus können schnelle Lichtimpulse dazu beitragen, die Empfindlichkeit der Quantensensoren noch weiter zu steigern. Sie könnten außerdem genutzt werden, um den Spin im Quantenumwandler der Zukunft schnell und präzise auszulesen.

Die optische Auslesung und Übermittlung des Spin-Zustandes in Silizium sowie die Erzeugung eines nichtklassischen mechanischen Zustandes gelten jeweils für Forscher auf diesem Gebiet als langfristiges Ziel. Das Projekt konnte erfolgreich demonstrieren, dass neu entwickelte siliziumbasierte Geräte in Nanogröße winzige mechanische Bewegungen mit einer hohen Präzision messen können und das Potenzial haben, beide Ziele zu erreichen.

Zu den Anwendungen gehören neben den Quanteninformationen auch Kraftsensoren, Gassensoren und Beschleunigungsmesser.

Schlüsselwörter

NAMESTRANSIS, Silizium, Quanteninformationen, Qubits, Kopplung, Elektronenspin, optomechanischer Resonator, nanomechanische Bewegung, Quantencomputing, Phosphorverunreinigung, Quantensensor
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