Quantenkontrolle von Spins in Siliziumkarbid mit Mikroresonatoren

Optische Mikroresonatoren sind die ideale Verknüpfung zwischen Photonen als fliegende Quantenbits und Elektronen als stationäre Quantenbits, da sie die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie um Größenordungen verstärken können. Mikroresonatoren sind daher unter den wichtigsten Werzeugen für die Untersuchung von quantenmechanischen Licht- Materie Wechselwirkungen. Siliziumkarbid (SiC) ist ein vielversprechendes Material für skalierbare Spintronik und Quanteninformation auf Halbleiterbasis: Erstens ist SiC kompatibel mit CMOS (complementary metal-oxide-semiconductor) Technologie, und ermöglicht daher die Erzeugung von integrierten Schaltkreisen, ähnlich wie Silizium. Zweitens weisen Spin-Zentren in diesem Material, insbesondere die Silizium-Fehlstelle, herausragende Spinkohärenzzeiten auf, sogar in handelsüblichen Materialien, und die Spin- Zentren können optisch manipuliert werden, bishin zu einzelnen Defekten. Deren optische Eigenschaften sind für viele Anwendungen allerdings nicht ideal, da sie niedrige Photonenemissionsraten und eine schwache Spin-Abhängigkeit der Fluoreszenz aufweisen. In diesem Projekt werden wir ein einzelnes Spin-Farbzentrum an einen optischen Resonator koppeln, welcher aus einem SIC Chip und einem Silizium Mikrospiegel besteht. Solche Mikrospiegel bieten hochqualitative Oberflächen, kleine Krümmungsradien und leichte Skalierbarkeit. Mittels resonanter Anregung und Auslese beabsichtigen wir, den Spin- Kontrast auf bis zu 50% zu erhöhen.Ziel des Projektes ist es, Spin-Photonen- Verschränkung mit einer einzelnen Silizium-Fehlstelle zu erreichen. Dies ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu Quanteninformationsübertragung und Quantennetzwerken.

Quantensysteme in Kristallen sind vielversprechende Kandidaten für die Speicherung von Quanteninformation, sowie für die Erzeugung von Quantenzuständen des Lichts. Defekte in Kristallen wie Diamant, Silizium und Siliziumkarbid gewinnen bei Wissenschaftlern und der Industrie zunehmend an Interesse, da sie als empfindliche Messsysteme fungieren können, sowie die Grundlage für zukünftige Quantennetzwerke und Computer bilden können. Während Diamant mehrere attraktive Eigenschaften hat, bieten Siliziumkarbid und Silizium eine viel stärkere Basis für technologische Bestrebungen, da sie Materialien von enormer wirtschaftlicher und technologischer Bedeutung sind. In SiC-EiC haben wir bedeutende Fortschritte bei der Entwicklung einer Quantentechnologie mit den oben genannten Zutaten gemacht. Erstens haben wir Silizium-Mikrospiegel entwickelt, die Licht über 100'000 Mal hin und her reflektieren können, bevor es verloren geht. Dies ermöglicht es uns, Photonen in einem sehr kleinen Volumen zu fangen, wo sie dann stark mit Emittern und Partikeln interagieren können. Diese Geräte bilden die Grundlage für verbesserte Verbindungen in Quantennetzwerken von Defekten in Kristallen. Zweitens haben wir unser Verständnis dieser Defekte mit wertvollen Erkenntnissen sowohl für die Materialwissenschaft als auch für die Quantentechnologie verbessert. Schließlich haben wir einen neuen Weg entwickelt, um Quantenverschränkung zwischen Emittern und Photonen zu erzeugen. Bei dieser Methode hängt die Zeit, zu der ein Photon emittiert wird, mit dem Quantenzustand des emittierenden Systems zusammen, welches ein Atom oder Molekül, ein Quantenpunkt oder ein Spin in einem Kristall sein kann. Wir haben ein Spin-Center in Diamant verwendet und haben gezeigt, dass es sich auf eine Weise verhält, die nur durch Quantenmechanik erklärt werden kann. Diese Ergebnisse sind offen zugänglich, und Links zu ausgewählten Publikationen sind unten aufgeführt. Georg Wachter, Stefan Kuhn, Stefan Minniberger, Cameron Salter, Peter Asenbaum, James Millen, Michael Schneider, Johannes Schalko, Ulrich Schmid, André Felgner, Dorothee Hüser, Markus Arndt & Michael Trupke Light: Science & Applications volume 8, Article number: 37 (2019) Silicon microcavity arrays with open access and a finesse of half a million https://www.nature.com/articles/s41377-019-0145-y Rui Vasconcelos, Sarah Reisenbauer, Cameron Salter, Georg Wachter, Daniel Wirtitsch, Jörg Schmiedmayer, Philip Walther & Michael Trupke npj Quantum Information volume 6, Article number: 9 (2020) Scalable spin-photon entanglement by time-to-polarization conversion https://www.nature.com/articles/s41534-019-0236-x