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Humboldt-Universität zu Berlin

Integrated Quantum Hybrid Systems

Die Dissertation von Janik Wolters wurde mit dem Humboldt-Preis 2014 ausgezeichnet.

Laudatio

Janik Wolters vom Institut für Physik erhält den Humboldt-Preis für seine herausragende Dissertation. Herr Wolters widmet sich den Grundlagen der optischen Quantentechnologie, dabei steht die Untersuchung von NV-Defektzentren in Nanodiamanten im Vordergrund. Seine Publikationen finden bereits internationale Beachtung.

 

Zusammenfassung

Durch gezieltes Ausnutzen quantenmechanischer Effekte können Elektronik, Computertechnologie, Kommunikation und Metrologie revolutioniert werden. Zum Beispiel können zukünftige Quantencomputer heutzutage noch unlösbare komplexe Probleme schnell und effizient berechnen und die Quantenkryptographie kann Telekommunikation absolut abhörsicher zu machen. Leider ist es jedoch extrem schwierig geeignete Quantensysteme und -technologien zu entwickeln. Dies liegt vor allem an zwei sehr widersprüchlichen Anforderungen: Einerseits müssen die verwendeten Quantenobjekte sehr gut gegen alle äußeren Einflüsse abgeschirmt werden, damit Quanteneffekte überhaupt zum Tragen kommen. Andererseits müssen die Quantenobjekte sehr präzise manipuliert werden und untereinander möglichst stark und kontrolliert in Wechselwirkung treten. Als vielversprechende Quantenobjekte die diese Anforderungen erfüllen können, haben sich in den letzten Jahren sogenannte Stickstoff-Fehlstellen-Zentren in Diamant (NV Zentren) erwiesen. Daher ist ein regelrechtes Diamantenfieber unter den Quatenphysikern ausgebrochen und NV Zentren in Diamant werden von vielen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern weltweit erforscht.

Zu dieser Entwicklung konnte ich während meiner Dissertation gleich mehrere Experimente beitragen. Zunächst konnte ich an einem einzelnen NV Zentrum nachweisen, dass quantenmechanische Bewegung aufhört sobald man hinschaut. Dieses Quanten-Zeno-Effekt genannte Phänomen zeigt, dass einzelne NV Zentren in der Tat gut abgeschirmte und kontrollierbare Quantenobjekte sind. Des Weiteren gelang es mir in einem Experiment einzelne NV Zentren gezielt in integrierte nano-photonische Schaltkreise einzubinden. Dieses Experiment ist wegbereitend für die Kopplung mehrerer NV Zentren auf optischen Chips und damit für die Entwicklung einer integrierten Quantentechnologie auf Basis von hybriden Systemen. Trotz der immensen Fortschritte auf dem Weg zu einer integrierten Quantentechnologie gibt es noch große Hürden zu überwinden. Zum einen sind die NV Zentren nicht alle exakt gleich - wie es bei der Verwendung von Atomen als Quantenobjekte der Fall wäre. Zum anderen unterliegen die optischen Resonanzfrequenzen schnellen Schwankungen. Diese spektrale Diffusion konnte ich in meiner Arbeit erstmals mit der neu entwickelten Methode der Photonen-Korrelations-Interferometrie systematisch untersuchen und verstehen. Hierdurch gelang es mir Ansätze zur Verminderung der unerwünschten spektralen Diffusion zu entwickeln. Zuletzt konnte ich dank meines genauen Verständnisses der experimentellen Gegebenheiten und Hindernisse eine fehlertolerante Methode zur quantenmechanischen Kopplung mehrerer NV Zentren auf einem integrierten  optischen Chip vorschlagen. Der von mir entwickelte Kopplungsmechanismus konnte zwar noch nicht in einem Experiment nachgewiesen werden, ist aber dennoch ein wichtiger Meilenstein für die Entwicklung integrierter Quantenschaltkreise.

Die in meiner Dissertation erzielten Ergebnisse sind richtungsweisend für die Entwicklung einer integrierten Quantenhybrid-Technologie auf Basis von NV Zentren in Diamant. Wenn es gelingt eine solche Technologie zu etablieren, können die vielfältigen quantenmechanischen Effekte für Anwendungen in der Elektronik, Computer-Technologie, Kommunikation und Metrologie ausgeschöpft werden.