Hexagonales Bornitrid in Quanten-Technologien nutzen

Hexagonales Bornitrid (hBN) ist ein zweidimensionales Material, das vielversprechend für die Nutzung in Quantentechnologien ist. Es enthält Defekte, die einzelne Photonen ausstrahlen können, das sind Lichtteilchen. Dieses Material hat auch besondere Eigenschaften, die Phononen – Vibrationen im Material – schützen, sodass sie sich ohne Energieverlust bewegen können. Diese Phononen könnten eine wichtige Rolle beim Übertragen von Informationen und beim Herstellen von Verbindungen zwischen verschiedenen emittierenden Defekten spielen.

#Die Rolle von Einzel-Photonen-Emitter

Einzel-Photonen-Emitter (SPEs) sind wichtige Werkzeuge in der Quantentechnologie. Sie können einzelne Photonen erzeugen, die in verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden können, wie z.B. in der Quantenkommunikation und Quantencomputing. In hBN wirken Kohlenstoffdefekte als diese Emitter, die empfindlich auf ihre Umgebung reagieren. Die Phononmoden in hBN sind entscheidend dafür, dass die SPEs Informationen erfolgreich übertragen können, da sie sich mit den emittierten Photonen koppeln können.

#Phonon-Photon-Interaktion

Phononen und Photonen haben unterschiedliche Eigenschaften. Während Photonen weite Strecken zurücklegen können, interagieren sie oft mit ihrer Umgebung und verlieren Informationen. Phononen hingegen können Informationen tragen, ohne signifikante Verluste zu erleiden, dank ihres topologischen Schutzes. Diese Eigenschaft ermöglicht es Phononen, mit entfernten SPEs zu interagieren und die Kohärenz der übertragenen Informationen aufrechtzuerhalten.

#Topologischer Schutz in hBN

Der topologische Schutz in hBN ergibt sich aus der Anordnung der Atome. An bestimmten Korngrenzen erlaubt die Struktur, dass Phononen in einem geschützten Zustand existieren. Das bedeutet, sie können Quanteninformationen tragen, ohne leicht durch Verunreinigungen oder andere Störungen gestört zu werden. Das Vorhandensein dieser geschützten Phononmoden eröffnet neue Möglichkeiten zur Schaffung von Quantengeräten, die die einzigartigen Eigenschaften von hBN nutzen.

#Erzeugung von Phonon-Quanten-Zuständen

In dieser Forschung konzentrieren wir uns darauf, Quanten-Zustände mit diesen hBN-Strukturen zu erzeugen. Das Ziel ist es, die Wechselwirkungen zwischen SPEs und den topologisch geschützten Phononen zu nutzen, um verschiedene Typen von phononischen Quanten-Zuständen zu schaffen. Dazu gehören Fock-Zustände, die bestimmte Quanten-Zustände mit einer definierten Anzahl von Quanten sind, und Qubit-Zustände, die in der Quantencomputing verwendet werden.

#Mechanismen zur Zustandsgenerierung

Um diese Quanten-Zustände zu erzeugen, betrachten wir mehrere Mechanismen. Indem wir die SPEs mit externen Quellen – wie Lasern – anregen, können wir die Erzeugung von Fock-Zuständen induzieren. Die Interaktion zwischen den SPEs und Phononen spielt hierbei eine entscheidende Rolle. Unter bestimmten Bedingungen kann ein einzelner SPE einen Fock-Zustand erzeugen, indem er mit den Phononen in der hBN-Struktur interagiert.

#Bedeutung der Fidelity

Fidelity bezieht sich darauf, wie gut ein Quanten-Zustand dem beabsichtigten Zustand ähnelt. Hohe Fidelity ist entscheidend für den erfolgreichen Einsatz dieser Quanten-Zustände in Technologien. Die Studie zeigt, dass die Fidelity der erzeugten Quanten-Zustände über die Zeit aufrechterhalten werden kann, besonders wenn topologischer Schutz vorhanden ist. Systeme, die topologisch geschützte Phononen nutzen, zeigen ein hohes Mass an Kohärenz, was eine bessere Übertragung von Quanteninformationen ermöglicht.

#Kopplung zweier entfernter SPEs

Eine der entscheidenden Erkenntnisse ist die Fähigkeit, zwei entfernte SPEs durch die topologisch geschützte Phononlinie zu koppeln. Indem wir die Phononen als Medium für die Informationsübertragung nutzen, können die SPEs miteinander verknüpft werden. Verschränkung ist ein quantenmechanisches Phänomen, bei dem zwei Teilchen verbunden sind und der Zustand eines sofort den Zustand des anderen beeinflusst, egal wie weit sie voneinander entfernt sind.

#Quantenkorrelationen und Verschränkung

Quantenkorrelationen ermöglichen es Forschern zu verstehen, wie verschiedene Quanten-Systeme interagieren. In unserer Studie haben wir die Verschränkung zwischen zwei SPEs untersucht, die über Phononen gekoppelt sind. Durch die Analyse der Dynamik der Verschränkung fanden wir heraus, dass die Kopplung über die Phononlinie starke Korrelationen ermöglicht, die auch über grosse Distanzen aufrechterhalten werden können.

#Quanten-Diskord: Ein Mass für Korrelation

Neben der Verschränkung haben wir auch Quanten-Diskord betrachtet, ein weiteres Mass für Korrelation. Es hilft, den Grad an Quanteninformation in einem System zu quantifizieren, auch wenn die Zustände nicht vollständig verschränkt sind. Unsere Ergebnisse deuteten darauf hin, dass das System Quanten-Diskord aufrechterhalten kann, was auf robuste Wechselwirkungen zwischen den SPEs hinweist, die durch Phononen vermittelt werden.

#Experimentelle Simulation und Ergebnisse

Wir haben Simulationen durchgeführt, um das Verhalten dieser Quantensysteme unter realistischen Bedingungen, einschliesslich möglicher Dekohärenz durch die Umgebung, zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigten, dass die durch Phononen vermittelten Interaktionen zu effektiver Verschränkung und Quanten-Zustandsgenerierung führen können.

#Zukünftige Anwendungen

Die Erkenntnisse aus der Untersuchung von hBN und seinen Defekten eröffnen neue Wege in der Quantentechnologie. Diese phononischen Quanten-Zustände könnten als Bausteine für Quanteninformationssysteme dienen, wie z.B. verschränkte Photonquellen, Quantennetzwerke und möglicherweise Quantencomputer. Die Fähigkeit, Quantenkohärenz über grosse Entfernungen zu bewahren, kann die Leistung von Quantentechnologien erheblich verbessern.

#Fazit

Die Forschung zu hexagonalem Bornitrid zeigt sein Potenzial als Plattform für Quanten-Geräte. Indem wir die einzigartigen Eigenschaften von SPEs und topologisch geschützten Phononen nutzen, können wir Quanten-Zustände erzeugen und robuste Quantenkorrelationen herstellen. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass hBN eine entscheidende Rolle bei der Weiterentwicklung der Quantentechnologien spielen könnte und den Weg für zukünftige Innovationen ebnet.