Quantencomputer: Diamanten als Hauptspeicher

Auch Quantencomputer benötigen Speicher, um Qubits aufzubewahren. Eine japanische Firma produziert dafür besonders große und reine Diamanten.

Artikel veröffentlicht am 27. April 2022, 15:26 Uhr, Johannes Hiltscher

Diamanten eignen sich nicht nur als Schmuck, sondern auch für Quantencomputer. (Bild: Wikimedia Commons)

Eine Schmuckfirma erwartet wohl kaum jemand als Produzenten von Materialien eines Quantencomputers. Eine Komponente teurer Ringe ist jedoch auch hier nützlich: besonders reine Diamanten. Die japanische Adamant Namiki Precision Jewel Co., Ltd. konnte zusammen mit der Saga University deutlich größere Kristalle wachsen lassen als bislang möglich. Das soll im industriellen Maßstab funktionieren.

Diamanten sind eines der aussichtsreichsten Materialien für Quantenspeicher. Je größer der Diamant, desto mehr Qubits lassen sich darauf speichern. Große, gleichmäßige Diamanten werden mittels chemischer Gasphasenabscheidung auf einem Substrat wachsen gelassen. Hierbei sind hohe Temperaturen erforderlich, beim Abkühlen treten Probleme auf. Substrat und Diamant haben unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten, das führt zu Spannungen, der Diamant kann brechen.

Hat er das Abkühlen überstanden, besteht beim Ablösen vom Substrat noch einmal die Gefahr, dass der Diamant durch die entstehenden Kräfte bricht. Gelöst hat Adamant Namiki die Probleme mit einem Saphirsubstrat, das eine Treppenstruktur hat. Dieses wird mit Iridium beschichtet, auf dem ein einziger großer Diamantkristall wachsen kann. Dieser wird am Ende vom Substrat heruntergeschoben.

So treten Spannungen nur in eine Richtung auf, was Brüche vermeidet. Damit konnte ein Diamant auf einem Zwei-Zoll-Wafer erzeugt werden, zuvor waren industrielle Verfahren auf Quadrate mit vier Millimeter Kantenlänge beschränkt. Im Labor wuchsen allerdings bereits größere Wafer.

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Der neu entwickelte Wachstumsprozess findet auf einem Saphirwafer statt, der nicht eben ist sondern eine Treppenstruktur hat. (Quelle: Adamant Namiki Precision Jewel Co., Ltd.)

Wie speichert der Diamant Qubits?

Um Qubits in einem Diamanten zu speichern, werden Stickstoff-Fehlstellen-Zentren genutzt, Verunreinigungen des Kohlenstoffgitters. Sie entstehen auch beim Wachstumsprozess, allerdings an zufälligen Positionen. Für einen Quantenspeicher sollten sie an vorgegebenen Stellen sein, um sie ansprechen und vor allem die Anzahl an Qubits festlegen zu können. Daher wird hierfür ein besonders reiner Diamant gezielt verunreinigt. Adamant Namiki verspricht für seine Diamant-Wafer eine Stickstoffverunreinigung von lediglich drei ppb (parts per billion, Anzahl der Stickstoffatome pro einer Milliarde Kohlenstoffatome).

Die Stickstofffehlstellen erzeugen ein freies (vakantes) Elektron, welches der Schlüssel zum Quantenspeicher ist. Der Spin von Elektronen kann einfach mit einem Laser ausgelesen werden. Das Elektron dient allerdings nur als Schnittstelle, denn ein gesetzter Spin geht nach kurzer Zeit verloren. Die Dauer, für die dieser erhalten bleibt, wird Kohärenzzeit genannt. Als Speicher eignet sich eine andere Verunreinigung.

Elektron ist Schnittstelle, Kohlenstoff der Speicher

Kohlenstoff hat drei natürliche Isotope. Die häufigsten sind C¹² und C¹³, wobei letzteres eine sehr nützliche Eigenschaft hat: Sein Atomkern hat ebenfalls einen Spin, und dieser ist deutlich stabiler als der eines Elektrons. Dafür muss der Diamant nicht einmal, wie viele andere Materialien, extrem abgekühlt werden. Selbst bei Raumtemperatur sind Kohärenzzeiten von mehreren Sekunden möglich.

Die Stabilität bedeutet allerdings, dass der Spin des Atomkerns kaum mit externen Einflüssen wie Licht und Magnetfeldern interagiert. Wird er allerdings mit dem des freien Elektrons verschränkt, kann er indirekt gesetzt und gelesen werden. So konnte ein Speicher für zehn Qubits realisiert werden, der eine Kohärenzzeit von 75 Sekunden erreichte.

Noch mehr Anwendungsmöglichkeiten

Stickstoffverunreinigte Diamanten finden nicht nur als Quantenspeicher Verwendung. Auch spintronische Schaltungen und besonders sensible Quantensensoren sind mit ihnen realisierbar. Eine weitere Anwendung sind besonders verträgliche Biomarker , extrem feines Diamantpulver kann biochemische Vorgänge in Zellen sichtbar machen (PDF). Dafür genügen allerdings auch kleine Diamanten.