Präzision ist gefragt, wenn man quantenphysikalische Experimente durchführen will. An der TU Wien forscht man an Stickstoffatomen, die in Diamanten eingebaut sind. Um den Quantenzustand eines solchen Atoms zu verändern und wirklich sicher sein zu können, dass das Ergebnis stimmt, muss man das System allerdings mit einem exakt richtigen Mikrowellenpuls bestrahlen. In der Praxis ist das ein schwieriges Problem. Nun gelang es, ein Rezept für die Herstellung "robuster" Quanten-Umschaltprozesse zu entwickeln, das auch dann noch zum richtigen Ergebnis führt, wenn die Anfangsbedingungen mit gewissen Fehlern behaftet sind.

Modell für die Quantentechnologie

Quantenphysikalische Systeme, deren Zustand gezielt umgeschaltet werden kann, benötigt man in unterschiedlichen Bereichen. Man kann sie etwa verwenden, um extrem präzise Messgeräte zu bauen, und auch an Konzepten für Quantencomputer wird geforscht. Ein besonders interessantes Quantensystem sind Stickstoffatome, die in einem winzigen Diamanten eingebaut sind. Gemessen an der Zeit, die man benötigt, um sie zu manipulieren, bleibt ihr Zustand relativ lange stabil, daher eignen sie sich gut als Speicher für Quanteninformation. Mit Mikrowellen kann man die Stickstoffatome recht einfach zwischen zwei verschiedenen Quantenzuständen unterschiedlicher Spinrichtung hin und her schalten. 

Wenn man wirklich sicher sein will, das Atom in den richtigen Zustand gebracht zu haben, muss man genau wissen, welchen Mikrowellenpuls man braucht. "Die einfachste Variante ist, die Atome für eine bestimmte Zeit mit konstanter Mikrowellenstrahlung zu beleuchten", erklärt Tobias Nöbauer aus der Arbeitsgruppe von Johannes Majer am Atominstitut der TU Wien (T. Nöbauer forscht inzwischen am Forschungsinstitut für molekulare Pathologie, Wien). Die genau richtige Zeitspanne für die Mikrowellenbestrahlung zu erwischen, ist allerdings schwierig. "Ob man am Ende tatsächlich genau den richtigen Quantenzustand erreicht, hängt von vielen Faktoren ab", erklärt Nöbauer. "Von der genauen Frequenz der Mikrowellenstrahlung, von mikroskopischen Details der Probe und störenden Feldern von außen." Man kann es niemals schaffen, über all diese Fehlerquellen perfekt Bescheid zu wissen – für die Praxistauglichkeit von Quantentechnologien ist das ein großes Problem.

Intelligente Fehlerkorrektur

Manchmal ist es aber sinnvoll, nicht den kürzesten Weg zu gehen, sondern den robustesten. In Zusammenarbeit mit der Gruppe von Florian Mintert am Freiburg Institute for Advanced Studies / Imperial College London wurde in Computersimulationen berechnet, wie man verschiedene Mikrowellenfrequenzen optimal überlagern kann, sodass sie zu einem Umschaltprozess des Stickstoffatoms führen, selbst wenn bestimmte äußere Parameter etwas anders sind als gedacht. "Der Quantenzustand tritt dann eine etwas kompliziertere Reise durch den Raum der möglichen Zustände an. Auch wenn er anfangs ein bisschen anders ausgesehen hat als gedacht, kommt er am Ende mit großer Sicherheit dort an, wo wir das wollen", sagt Tobias Nöbauer. Im Experiment an der TU Wien konnte das Team zeigen, dass der computeroptimierte Puls die Erfolgswahrscheinlichkeit tatsächlich drastisch erhöht. So führt etwa ein optimierter Puls selbst dann noch sehr genau zum korrekten Ziel, wenn er mit einer doppelt überhöhten Leistung oder um eine halbe Oktave "verstimmten" Frequenz abgespielt wird.

Man kann sich das so ähnlich vorstellen, wie die Aufgabe, mit einem fehlerbehafteten Wagen einen bestimmten Punkt zu erreichen. Angenommen, man fährt Richtung Norden und der Wagen zieht etwas nach rechts, dann fährt man östlich am Ziel vorbei. Man kann sich behelfen, indem man einfach doppelt so weit fährt, umkehrt und wieder zurückfährt. Wenn der Wagen auf dem Rückweg wieder nach rechts abdriftet, wird er diesmal nach Westen ziehen, den anfängliche Fehler teilweise korrigieren und ziemlich genau am gewünschten Ort ankommen. So ähnlich – wenn auch deutlich komplizierter – funktioniert die Optimierung des Mikrowellenpulses für das Quantensystem.  

Robustheit und Skalierbarkeit

Durch den optimierten Umschaltprozess kann man nun die Quanteneigenschaften der Stickstoffatome in den Diamantpartikeln viel besser nutzen. "Im Labor, in einem völlig kontrollierten Versuchsaufbau, kann man es schaffen, den Mikrowellenpuls exakt richtig einzustellen. Aber um diese Systeme technologisch in der Praxis anwenden zu können, ist Robustheit ganz entscheidend", sagt Tobias Nöbauer. "Hochpräzise Quanten-Sensoren will man auch in komplizierten Umgebungen einsetzen können, zum Beispiel in einer biologischen Probe, die man nie exakt berechnen kann." Außerdem möchte man für viele Anwendungen, beispielsweise auch für hypothetische Quantencomputer, viele solche Quantensysteme miteinander verschalten. Dies Skalierbarkeit kann man nur erreichen, wenn man alle Fehlerquellen minimiert. Die optimale Kontrolle könnte die Stickstoffatome im Diamant daher zu einem noch heißeren Kandidaten für künftige quantentechnologische Anwendungen machen.

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Rückfragehinweis:
Dr. Johannes Majer
Atominstitut
Technische Universität Wien
Stadionalle 2, 1020 Wien
T: +43-1-58801-141838
johannes.majer@tuwien.ac.at 

Aussender:
Dr. Florian Aigner
Büro für Öffentlichkeitsarbeit
Technische Universität Wien
Operngasse 11, 1040 Wien
T: +43-1-58801-41027
florian.aigner@tuwien.ac.at

Quantum Physics & Quantum Technologies ist – neben Computational Science & Engineering, Materials & Matter, Information & Communication Technology sowie Energy & Environment – einer von fünf Forschungsschwerpunkten der Technischen Universität Wien. Erforscht werden mögliche Anwendungen von Quantenphänomenen. Diese reichen von fundamentalen Wechselwirkungen der Elementarteilchen über Strahlungsquellen für ultrakurze Photonenpulse bis hin zur Steuerung der Zustände einzelner Atome und damit zu Bauelementen für den Quantencomputer.

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