Kohärente Kontrolle einzelner Spins
Auf der Suche nach neuen Architekturen für die Quanteninformationsverarbeitung untersuchen wir Spin-Qubits mit Hilfe der Rastersondenmikroskopie in Kombination mit der Elektronenspinresonanz.
Die Leistung eines jeden Qubits, sei es ein supraleitendes oder ein Spin-Qubit, wird durch die Wechselwirkung mit der Umgebung begrenzt, die den gut vorbereiteten Quantenzustand des Qubits durch Relaxations- oder Dekohärenzprozesse zerstört. Bei Festkörper-Qubits kann diese Wechselwirkung durch die makroskopische Umgebung, wie z. B. die Anordnung der Gate-Elektroden, oder auf atomarer Ebene durch Verunreinigungen durch einzelne Atome bedingt sein. Diese Wechselwirkungen, die sich nicht eliminieren lassen, sind ein großes Problem und ein Grund für die intensive Forschung an fehlertoleranten Qubits.
Einzelne atomare und molekulare Spins auf dünnen Isolierschichten auf Metalloberflächen sind erst kürzlich durch kohärente Spinmanipulation mittels Rastertunnelmikroskopie (STM) in Kombination mit Elektronenspinresonanz (ESR) für die Quanteninformation relevant geworden [1]. Diese Systeme eignen sich besonders für den Aufbau von Quantenarchitekturen mit atomarer Präzision [2] und für die Untersuchung der Auswirkungen der Umgebung auf die Leistung von Qubits, da die störende Umgebung durch beliebige Positionierung der störenden Atome mit Hilfe der Manipulationsmöglichkeiten des STM maßgeschneidert werden kann.
Wir bauen künstliche Quantenarchitekturen aus einzelnen Atomen und Molekülen auf Oberflächen [2][3][4] und auf besonderen Spitzen [5], kontrollieren ihre Spinzustände [1][6] und untersuchen stationäre und mobile (Multi-)Qubit-Systeme.
Referenzen
[1] K. Yang, W. Paul, S.-H. Phark, P. Willke, Y. Bae, T. Choi, T. Esat, A. Ardavan, A. J. Heinrich, C. P. Lutz, Coherent spin manipulation of individual atoms on a surface. Science 366, 509–512 (2019)
[2] K. Yang, S.-H. Phark, Y. Bae, T. Esat, P. Willke, A. Ardavan, A. J. Heinrich, C. P. Lutz, Probing resonating valence bond states in artificial quantum magnets. Nat Commun. 12, 993 (2021)
[3] T. Esat, N. Friedrich, F. S. Tautz, R. Temirov, A standing molecule as a single-electron field emitter. Nature 558, 573–576 (2018)
[4] T. Esat, M. Ternes, R. Temirov, F. S. Tautz, Electron spin secluded inside a bottom-up assembled standing metal-molecule nanostructure. Phys. Rev. Research 5, 033200 (2023)
[5] T. Esat, D. Borodin, J. Oh, A. J. Heinrich, F. S. Tautz, Y. Bae, R Temirov, A quantum sensor for atomic-scale electric and magnetic fields. Nat. Nanotechnol. (2024)
[6] P. Willke, A. Singha, X. Zhang, T. Esat, C. P. Lutz, A. J. Heinrich, T. Choi, Tuning Single-Atom Electron Spin Resonance in a Vector Magnetic Field. Nano Lett. 19, 8201–8206 (2019)