Towards diamond-based quantum computers

Abstract

In dieser Arbeit wurden wichtige Schritte zur Realisierung eines auf Diamant basierenden Quantencomputers gezeigt. Im Mittelpunkt steht dabei das Nitrogen-Vacancy Zentrum und die Wechselwirkung seines Elektronspins mit der Umgebung. Insbesondere die Kopplung an den Kernspin des Stickstoffatoms und die Wechselwirkung von zwei NV Zentren wurden untersucht. Neben der Verwendung als zusätzliches Quanten-Bit, kann der Kernspin auch dazu benutzt werden, die Genauigkeit des optischen elektronenspin-Ausleseprozesses drastisch zu erhöhen. Das konsequente Fortführen dieses Gedankens gipfelt in der Möglichkeit den Quantenzustand des Elektronenspins mit einer einzelnen Auslesesequenz zu bestimmen. Desweiteren wurde zum ersten Mal die magnetische Wechselwirkung zweier NV Zentren demonstriert. Dies zeigt, dass die Anzahl der zu Verfügung stehenden Quanten-Bits prinzipiell nicht begrenzt ist und ist eine wichtige Notwendigkeit für einen nützlichen Quantencomputer.

In this thesis, missing building blocks for the realization of a room temperature quantum computer based on single Nitrogen-Vacancy centers in diamond have been demonstrated. It has been shown that the intrinsic nitrogen nuclear spin cannot only be used as additional qutrit, but that it is possible to exploit it for an enhancement of the optical readout of the electron spin. This idea has culminated in the first demonstration of single shot readout of an electron spin in a solid state system at room temperature. Furthermore, the direct magnetic coupling of two single NV centers separated by 10 nm has been presented, which shows the potential scalability of the system.