A single electron sensor assisted by a quantum coprocessor

Abstract

Diese Arbeit befasst sich mit dem Stickstoff-Fehlstellenzentrum im Diamanten sowie den Kernspins der umgebenden Kohlenstoff-Atome. Während der Elektronenspin als hochsensitiver Magnetfeldsensor dient, werden die Kernspins zu einem Quanten-Coprozessor kombiniert, der die robuste Speicherung, Nachprozessierung sowie das effiziente Auslesen der Sensordaten ermöglicht. Wichtige Methoden zur Kernspinkühlung und Kernspininitialisierung werden vorgestellt, wobei ein besonderer Schwerpunkt auf der Wärmebadalgorithmischen Kühlungstechnik (heat-bath algorithmic cooling) liegt. Das kombinierte Sensor-Coprozessor-System wird verwendet, um verschiedene Aspekte des Quantenphasenschätzalgorithmus im Rahmen von Korrelationsspektroskopieverfahren zu demonstrieren. Bestehende Korrelationsspektroskopieverfahren werden durch die Speicherfähigkeit der Kernspins verbessert, um die spektrale Auflösung zu erhöhen und eine kohärente Kopplung an schwach gekoppelte Kernspins zu ermöglichen. Es wird gezeigt, dass dadurch zuvor spektral nicht auflösbare Kernspins nun adressierbar werden. Ein theoretischer Rahmen für die Implementierung der Quanten-Fouriertransformation und des Quantenphasenschätzalgorithmusses auf hybriden Qudit-Systemen beliebiger Größe wird entwickelt. Außerdem wird die Implementierung des Quantenphasenschätzalgorithmus zuerst auf einem einzelnen Qutritspeicher und dann auf einem Quantenregister aus einem Qutrit und zwei Qubits vorgestellt.