Quanteninformationstechnologien basieren auf äußerst empfindlichen Quantenzuständen. Schon kleinste Schwankungen in der Umgebung können gespeicherte Informationen innerhalb von Mikrosekunden zerstören. Ein Forschungsteam unter Leitung der Harvard University hat nun eine neue Methode demonstriert, solche Quantenbits (Qubits) ausschließlich durch präzise erzeugte mechanische Schwingungen zu schützen. Die Studie, veröffentlicht in Nature Physics, wurde durch einen theoretischen Vorschlag von Prof. Peter Rabl, Professor für Angewandte Quantentheorie an der TUM School of Natural Sciences und Wissenschaftlicher Direktor des Walther-Meißner-Instituts (WMI) der Bayerischen Akademie der Wissenschaften, inspiriert.

Die Forschenden zeigen, dass Spins von Silizium-Vakanz-Zentren (SiV) in Diamant, eine vielversprechende Plattform für zukünftige Quantennetzwerke, durch kontinuierliche Anregung mit fokussierten akustischen Wellen stabilisiert werden können. Dieser „rein mechanische“ Ansatz schützt das Qubit nicht nur vor Umgebungsrauschen, sondern ermöglicht auch eine rekordverdächtig schnelle Spin-Kontrolle, eine wichtige Voraussetzung für zukünftige Quantentechnologien.

Phononen statt Photonen

Die meisten Konzepte für Quantenkommunikation nutzen Photonen (Lichtteilchen) zur Informationsübertragung. Phononen (Schallquanten) bieten jedoch mehrere Vorteile: Sie können auf einem Chip eingeschlossen werden, koppeln sehr stark an Festkörper-Qubits und vermeiden eine unerwünschte gegenseitige Beinflussung (Crosstalk). Besonders attraktiv sind SiV-Zentren in Diamant, da sie äußerst effizient auf mechanische Verspannungen reagieren.

Bisher war jedoch die Zeitspanne, über die ein Qubit Informationen speichern kann, die sogenannte Kohärenzzeit, für praktische phononische Quantennetzwerke zu kurz.

„Silizium-Vakanz-Spins sind hervorragende Quantenspeicher, aber sie reagieren extrem empfindlich auf Streumagnetfelder und Defekten im Material“, erklärt Prof. Rabl. „Wir benötigten eine Methode, um den Spin zu schützen, ohne ihn von den mechanischen Moden zu entkoppeln, die später als Quantenbus dienen sollen. Ein Quantenbus ist eine Verbindung in Quantencomputern, die Quanteninformationen zwischen Qubits überträgt. Seine Funktion ähnelt der eines Datenbusses in einem klassischen Computer.“

Eine Theorie aus München wird in Cambridge Realität

In einer theoretischen Arbeit aus dem Jahr 2024 schlugen Rabl und seine Mitarbeitenden eine Lösung vor: Den Spin kontinuierlich mit einem starken externen Mikrowellen- oder optischen Feld rotieren zu lassen. Dadurch mitteln sich Störeinflüsse heraus, während die Kopplung an die Phononen erhalten bleibt. Diese Technik, bekannt als kontinuierliche dynamische Entkopplung (continuous dynamical decoupling), wurde bereits in anderen Spinsystemen mithilfe leistungsstarker Mikrowellenfelder demonstriert.

Das Harvard-Team erkannte jedoch, dass Mikrowellenfelder die empfindliche kryogene Versuchsanordnung zu stark aufheizen würden. Stattdessen nutzten die Forschenden die mechanischen Schwingungen selbst: intensive, stark fokussierte Oberflächen-Schallwellen, die auf einem Diamantchip erzeugt wurden.

Dieser Ansatz funktionierte sogar besser als erwartet. „Der clevere Trick dieses Experiments bestand darin, die Schwingungsmoden selbst zur Ansteuerung des Spins zu verwenden“, erklärt Rabl. „Das Team konnte zeigen, dass sich das Qubit vollständig auf mechanischem Weg initialisieren, manipulieren und auslesen lässt.“

Dreifache Verbesserung der Kohärenz und rekordverdächtig schnelle Kontrolle

Durch die kontinuierliche Anregung des SiV-Spins mit akustischen Wellen erzielten die Forschenden zwei wesentliche Ergebnisse: Die Kohärenzzeit konnte trotz Betriebstemperaturen unter 1 Kelvin um den Faktor drei verlängert werden und die ultraschnellen Spin-Rotationen erreichten Frequenzen bis zu 800 MHz, die höchste jemals für SiV-Spins gemessene Manipulationsgeschwindigkeit.

Diese Geschwindigkeiten sind nahezu 100-mal höher als bei früheren Kontrollmethoden auf Basis magnetischer Felder.

Solche schnellen Operationen sind entscheidend für zukünftige Quantentechnologien, da Qubits schneller manipuliert werden müssen, als sie ihre Quanteninformation verlieren.

Ein Schritt hin zu phononischen Quantennetzwerken

Die Ergebnisse zeigen, dass der mechanische Schutz und die mechanische Kontrolle von Festkörper-Qubits nicht nur technisch realisierbar, sondern auch außerordentlich effizient sind. Nach Einschätzung von Peter Rabl eröffnet dieser Ansatz neue Möglichkeiten für eine Vielzahl zukünftiger Quantenanwendungen. So könnten insbesondere zuverlässige Quantenspeicher für die Quantenkommunikation entwickelt werden, die Informationen über längere Zeiträume stabil speichern. Darüber hinaus verspricht die Technologie den Einsatz hochempfindlicher Nanosensoren, mit denen selbst kleinste Magnetfelder präzise gemessen werden können. Auch kompakte Quantenprozessoren könnten von diesem Konzept profitieren, indem Phononen als Kommunikationskanal zwischen einzelnen Qubits dienen. Zusätzlich eröffnet sich die Perspektive hybrider Quantensysteme, in denen Spins, Photonen und mechanische Resonatoren miteinander gekoppelt werden, um die jeweiligen Vorteile dieser unterschiedlichen Quantensysteme zu kombinieren.

„Von Hunderten von Qubits sind wir zwar noch weit entfernt“, sagt Rabl. „Für Quantennetzwerke und Sensoranwendungen, bei denen nur wenige, aber gut geschützte Qubits benötigt werden, besitzt diese Methode der mechanischen Stabilisierung jedoch enormes Potenzial.“

Münchner Expertise in der Quantenakustik

Die Arbeit baut auf einer langjährigen Zusammenarbeit zwischen der TUM, dem Walther-Meißner-Institut und der Harvard University auf. Rabls Forschungsgruppe hat wegweisende theoretische Modelle für Spin-Phonon-Wechselwirkungen, phononische Quantenbusse und rauscharme Qubit-Architekturen entwickelt.

Die neue Veröffentlichung in Nature Physics zeigt nun, wie diese Konzepte experimentell umgesetzt werden können und wie mechanische Kontrolle zu einem zentralen Baustein zukünftiger Quantentechnologien werden könnte.

Wissenschaftliche Publikation

Eliza Cornell, Zhujing Xu, Zhaoyou Wang, Hana K. Warner, Eliana Mann, Michael Haas, Smarak Maity, Graham Joe, Liang Jiang, Peter Rabl, Benjamin Pingault & Marko Lončar. All-mechanical coherence protection and fast control of a spin qubit. Nature Physics. doi: 10.1038/s41567-026-03369-2

Weitere Informationen & Links

• Lehrstuhl für Angewandte Quantentheorie von Prof. Peter Rabl: https://www.ph.nat.tum.de/aqt/home/  
• Walther-Meißner-Institut: https://www.wmi.badw.de/home  
• Forschungsbereich Quantum Science & Technologies der TUM School of Natural Sciences: https://www.nat.tum.de/nat/forschung/forschungsschwerpunkte/quantum-science-technologies/  

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