Diamanten

Ein perfekter Diamant besteht idealerweise zu 100% aus Kohlenstoff. Dieser Kohlenstoff ist anders gebunden als in z.B. Grafit – nämlich in einem hexagonalen Kristallgitter. Dies verleiht einem Diamanten die besondere Härte und Wärmeleitfähigkeit. Ist ein Kohlenstoffatom durch ein anderes Atom ersetzt, wird dies als ein Kristalldefekt bezeichnet. Solche Defektzentren können erstaunliche Eigenschaften besitzen und z.B. unter Laserbestrahlung selbstständig zurückleuchten. Diese Fluoreszenz ist im Diamant mit einem weiteren Freiheitsgrad verknüpft: Dem Spin des Defektzentrums. Damit lässt sich der Quantenzustand in diesem Defektzentrum mit dem Quantenzustand des ausgesandten Photons verknüpfen.

In einer Quantenrepeater-Anwendung wird genau dieses Phänomen ausgenutzt und ein Defektzentrum sendet Photonen an eine Empfangsstation. Zurück bleibt ein in einem Kernspin gespeicherter Zustand. Wenn nun das Photon empfangen wird, dann kann an eine weitere, entfernte Empfangsstation ein weiteres Photon übersandt werden. Haben irgendwann zwei Stationen jeweils ein Photon detektiert, dann können die (entfernten) Detektorklicks mit Hilfe einer besonderen Messung im Diamanten miteinander verknüpft werden: Ein gemeinsamer, großer Quantenzustand entsteht, der letztlich zur physikalisch sicheren Datenübertragung führen kann.

In dem Projekt Q.Link.X werden zwei spezielle Defektzentren im Diamant eingesetzt: Das sogenannte NV-Zentrum, welches ein Stickstoffatom anstelle eines Kohlenstoffatoms im Gitter besitzt. Dieses NV-Zentrum wurde in den letzten beiden Jahrzehnten ausgiebig studiert und besitzt für diese Datenübertragung ideale Eigenschaften. Lediglich die optischen Eigenschaften sind bislang noch nicht mit der Infrarot-Optik der Telekommunikation kompatibel. Der finale Aufbau wird an der Universität Stuttgart als Demonstrator aufgebaut werden.

Ein weiteres Defektzentrum, das sogenannte Siliziumzentrum hat bessere Eigenschaften, ist jedoch nicht so gut erforscht wie das zuvor genannte NV-Zentrum. Auch benötigt dieses weitaus niedrigere Temperaturen, besitzt dafür jedoch auch bessere optische Eigenschaften. Ein solcher Aufbau wird an der Universität Mainz aufgebaut.