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NIM nanosystems initiative munich
Meldung

Donnerstag, 23. November 2017

Ein einzelnes Atom als Radioantenne

Quantensensoren

Neuer Quantendetektor. Bild: F. Reinhard

Neuer Quantendetektor. Bild: F. Reinhard

Durch ein neues Detektor-Protokoll können mit Spin-basierten Quantensensoren von einem Team rund um den NIM-Wissenschaftler Dr. Friedemann Reinhard deutlich höhere Frequenzen als bisher gemessen werden, womöglich bis auf die Ebene einzelner Phononen und Photonen.


Erstmals zeigt eine Arbeitsgruppe um den NIM-Wissenschaftler Öffnet externen Link in neuem FensterDr. Friedemann Reinhard, dass Spin-basierte Quantensensoren auch für die Messung von sehr hochfrequenten Signalen – bis in den GHz-Bereich - geeignet sind. Ihr neues Protokoll zu solchen Messungen ist im Oktober in Öffnet externen Link in neuem FensterNature Communications erschienen und Reinhard fasst diesen Fortschritt folgendermaßen zusammen: „Es ist ein neues Verfahren, einzelne Spins in Festkörpern als sehr empfindliche Detektoren für Signale bei hohen Frequenzen zu verwenden. Das könnte mittelfristig zu einem Detektor für einzelne Mikrowellenphotonen und einzelne Phononen ausgebaut werden, was für Sensorik, Radioastronomie und Quantenkommunikation relevant wäre.“ Gleichzeitig zu den Forschern der Technischen Universität München kam auch eine Gruppe der Universität Ulm zu vergleichbaren Öffnet externen Link in neuem FensterErgebnissen.

Quantenoptischer Effekt
Einzelne magnetische Fremdatome („Spins“) in Halbleitern sind ein vielversprechender Kandidat für Quantencomputer, Quantenkommunikation und Quantensensoren. Für all diese Anwendungen ist es wichtig, mit ihnen andere Signale zu detektieren, um beispielsweise eine quantenmechanisch verschlüsselte Nachricht zu empfangen oder ein schwaches Magnetfeld nachzuweisen. Diese Detektion ließ sich bisher nur für Signale mit niedrigen Frequenzen – bis zu einigen MHz - effizient realisieren.
Das neue Protokoll der Forscher – gewissermaßen die Quanten-Software eines solchen Detektors – nutzt einen Effekt, der in der Quantenoptik seit fast fünfzig Jahren bekannt ist, das sogenannte Mollow-Triplett. Neu ist allerdings, dass die Forscher diesen Effekt mit einer deutlich robusteren Technik hervorrufen und ihn als empfindlichen Nachweis für hochfrequente Signale einsetzen. Ein weiterer wichtiger Aspekt des neuen Detektor-Protokolls ist die Stabilität, wie Reinhard erklärt: „Entscheidend hier ist, dass die Absorptionsfrequenz nur von der Taktung und Frequenz der externen Anregung abhängig ist, die genau gesteuert werden kann. Sie ist unabhängig von natürlichen Spin-Übergängen und kann so nicht durch Verschiebungen im umgebenden Feld beeinflusst werden.“

„Licht in einem Sack“
Die aktuell verwendeten Signale sind zwar schwach, enthalten aber immer noch fast eine Billiarde Lichtteilchen der Mikrowellenstrahlung. Auf dem Weg zu einem konkurrenzfähigen Detektor wäre deshalb ein weiterer Schritt zu bewältigen. „Um die Empfindlichkeit auf einzelne Teilchen zu steigern, müsste man die Strahlung verstärken, indem man sie zwischen zwei Spiegeln einsperrt. Ein bisschen wie die Schildbürger, die versucht haben, Licht in einem Sack zu fangen. Das klingt nach einer schlechten Idee. Aber wenn der Sack innen verspiegelt ist, funktioniert es tatsächlich.“ erläutert Reinhard.
So hat Reinhard eine Geschichte, die ihn schon als Kind fasziniert hat, zu einer möglichen Lösung dieses Problems inspiriert. Zwar beherrscht die Arbeitsgruppe diese Technik aktuell noch nicht, doch gibt es einige erfahrene Gruppen, auch innerhalb von NIM, die solche Geräte fertigen können.

Die sicherste Verschlüsselung
Eines der möglichen Anwendungsgebiete für solche neuen Detektoren ist die Quantenkommunikation. Hier werden einzelne Lichtteilchen – Photonen – verwendet, um Nachrichten zu übertragen. Insbesondere beim Thema Sicherheit verspricht diese Technik eine deutliche Verbesserung gegenüber den besten bekannten klassischen Algorithmen, da quantenmechanische Teilchen jeden Abhörversuch gewissermaßen mitschreiben.
Einige der besten Quantenprozessoren, wie etwa die der Firma Google, arbeiten intern mit Mikrowellensignalen.
Empfindliche Sender und Empfänger könnten dabei helfen, einzelne Teilchen dieser Signale über weite Distanzen zu übertragen - und damit einen neuen Kanal für die Quantenkommunikation schaffen.

Quantenmikrofone für einzelne Schall-Teilchen
In bestimmten Mikro- und Nanostrukturen kann man Schwingungen anregen. Seit einigen Jahren lassen sich darin selbst so schwache Schwingungen kontrollieren, dass man sie als quantenmechanische Schall-Teilchen – Phononen - beschreiben muss.
Die Manipulation von einzelnen Phononen gestaltet sich allerdings schwierig, weil Methoden für ihre Erzeugung und Detektion noch in den Kinderschuhen stecken. Mit der neuen Technik kommen jetzt auch Festkörper-Spins für diese Aufgaben in Frage – gewissermaßen als Quanten-Mikrofone und Quanten-Lautsprecher.

Suche nach anderen
Die wohl exotischste Anwendung der Detektoren ist in einem anderen Forschungsgebiet angesiedelt. „Detektion von sehr schwachen schmalbandigen Radiosignalen wäre eine Art „Lackmus-Test“ für außerirdisches Leben, und in der Tat verwenden manche Radioteleskope Festkörper-Spins als Empfänger für solche Strahlung. Unsere Technik könnte diese Empfänger verbessern oder vereinfachen und so vielleicht eines Tages bei der Suche helfen. Das wäre dann einmal ein ganz großes Ziel für die Quantenforschung.“ beschreibt Reinhard die breiten Anwendungsmöglichkeiten lächelnd.


Publikation:
Quantum sensing of weak radio-frequency signals by pulsed Mollow absorption spectroscopy.
Joas T, Waeber AM, Braunbeck G, Reinhard F. Nat Commun. 2017 Oct 17;8(1):964. Öffnet externen Link in neuem Fensterdoi: 10.1038/s41467-017-01158-3.

Kontakt:
Dr. Friedemann Reinhard
Walter Schottky Institut und Physik-Department
Center for Nanotechnology and Nanomaterials
Technische Universität München
Am Coulombwall 4
85748 Garching

Tel: +49 (0)89 289 12777

E-Mail: Öffnet ein Fenster zum Versenden der E-Mailfriedemann.reinhard(at)wsi.tum.de

Web: Öffnet externen Link in neuem Fensterwww.wsi.tum.de/Research/ReinhardgroupE24/tabid/459/Default.aspx

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