SPINNING - Diamantbasierter Spin-Photon Quantencomputer

Abstract

Ziel des Projekts war die Entwicklung skalierbarer Quantenarchitekturen auf Basis von Spin-Qubits in Diamant. Hierzu wurde eine modulare, vernetzte Architektur verfolgt, bei der lokale Quantenregister über optische Schnittstellen zu einem flexibel konfigurierbaren Gesamtsystem verbunden werden. Dieser Ansatz adressiert zentrale Herausforderungen der Quanteninformatik, insbesondere Skalierbarkeit, Konnektivität und robuste Quantenkontrolle. Als physikalische Plattform wurden negativ geladene Germanium-Vakanz-Zentren (GeV) in Diamant untersucht. Im Projekt wurde erstmals die effiziente Initialisierung, Detektion und kohärente Kontrolle eines einzelnen GeV-Spin-Qubits bei Temperaturen unter 300 Millikelvin demonstriert. Durch die Unterdrückung phononischer Relaxationsprozesse konnten besonders stabile Quantenzustände realisiert werden, deren Kohärenz nicht mehr durch quantisierte Gitterschwingungen, sondern durch entkoppelbare Umgebungsfluktuationen begrenzt ist. Unter Verwendung dynamischer Entkopplungsprotokolle demonstrieren wir darüber hinaus eine mehr als 40-fache Verlängerung der Speicherzeit des elektronischen Spins und erreichen Kohärenzzeiten von über 20 Millisekunden. Diese Speicherzeiten markieren den aktuellen Spitzenwert für Gruppe-IV-Farbzentren in Diamant und etablieren das GeV-Zentrum als leistungsfähige Plattform für langlebige elektronische Quantenspeicher. Ergänzend wurde die maßgebliche Dekohärenz detailliert analysiert und mit Hilfe eines Ornstein-Uhlenbeck Prozesses modelliert, was die gezielte Optimierung von Kontrollstrategien erlaubt und die Grundlage für reproduzierbare Hoch-Fidelitäts-Operationen schafft.