Optisches Auslesen einzelner Spins zum Zwecke von Quantencomputing und Magnetometrie

The ability to measure and manipulate the quantum state of a single spin in a solid state system opens up a broad range of powerful applications ranging from nano probes to quantum information processing. Over the past few years, a number of ground breaking experiments have been conducted on paramagnetic nitrogen vacancy defect centers in diamond, including up to 3-qubit entanglement, single-shot-readout of a nuclear spin, selective access of two coupled centers and magnetic, electric and thermographic sensing at the nanoscale with promising properties in some cases exceeding most currently known techniques. Yet, almost all of the experiments conducted so far focus on centers deeply buried in the diamond, which is undesirable especially for sensing applications, but also in terms of scalability and electronic access to the information. In this work we focus on the spin physics of centers only few nanometers below the surface, where the unique properties of the center are strongly influenced by the external environment. We coherently manipulated and detected single spins at ambient temperature by combining optically detected magnetic resonance with single molecule spectroscopy using a confocal microscope. We measured the spin dephasing behavior and the phase relaxation time and examined the primary sources of decoherence. Furthermore, we observed effects of water, atmosphere and paramagnetic molecules on the coherence and readability of spins in nanodiamonds and demonstrated ways to preserve the coherence using external magnetic fields and a number of different dynamic decoupling pulse sequences. In addition, we measured couplings to proximal nuclear spins by continuous wave spectroscopy and to molecules on the surface by double electron electron resonance. Also, we demonstrate execution of the refined Deutsch-Jozsa algorithm on a nitrogen vacancy center in a nanodiamond. Finally, we propose new technological approach for realtime measurements of magnetic fields using a single spin in diamond. In test measurements using external fields and spatially resolved measurements of the field from a magnetic microwire a sensitivity of a few uT / sqrt(Hz) was achieved.Die Fähigkeit, den Quantenzustand einzelner Spins in Festkörpern gezielt zum manipulieren und zu detektieren ermöglicht eine Vielzahl von neuen und faszinierenden technologischen Anwendungen von Nanosonden bis hin zur Quanteninformationversarbeitung. Am Beispiel des Stickstoff-Fehlstellen Defektzentrums in Diamant sind in den letzten Jahren eine groß en Zahl von bahnbrechenden Experimenten durchgeführt worden, unter anderem Verschränkung von bis zu drei Qubits, Einzelschuss-Detektion von Kernspinzuständen, selektives Auslesen zweier gekoppelter Zentren und Messungen von magnetischen und elektrischen Feldern mit Nanometerauflösung mit viel versprechender Empfindlichkeit, welche in einigen Fällen die Möglichkeiten der meisten bekannten Techniken übersteigt. Bislang konzentrieren sich aber nahezu alle Experimente auf Defektzentren, welche sich tief im Innern des Diamanten befinden. Dies ist insbesondere bei Nanosonden, aber auch mit Blick auf Skalierbarkeit und den elektronischen Zugriff auf die Quanteninformation von Nachteil. Diese Arbeit konzentriert sich auf Defektzentren, welche sich nur wenige Nanometer unter der Oberfläche des Diamanten befinden. Bei diesen sind die Eigenschaften des Zentrums stark von seiner Umgebung beeinflusst. Im Rahmen der Arbeit wurden einzelne Spins bei Raumtemperatur gezielt kohärent manipuliert und deren Zustand mit Hilfe optisch detektierter magnetischer Resonanzspektroskopie durch ein Konfokalmikroskop detektiert. Das Dephasierungsverhalten und die Phasenrelaxationszeit der Spins wurden untersucht und die primären Dekoheränzquellen ermittelt. Weiterhin wurden die Einflüsse von Wasser, Umgebungsatmosphäre und paramagnetischen Molekülen auf die Kohärenz und Detektierbarkeit von Spins in Nanodiamanten untersucht, sowie Methoden der Entkopplung der Spins von ihrer Umgebung mittels externer Magnetfelder und einer Reihe von "Dynamic Decoupling" (dynamische Entkoppungs-) Pulssequenzen. Zusätzlich wurden Kopplungen an benachbarte Kernspins sowie an paramagnetische Moleküle auf der Oberfläche mittels Doppel Elektron-Elektron Resonanz nachgewiesen. Anhand eines Stickstoff-Fehlstellen Defektzentrums in einem Nanodiamand haben wir weiterhin den weiterentwickelten Deutsch-Jozsa Algorithmus durchgeführt. Zum Abschluss präsentieren wir eine neuartige technologische Umsetzung zur Messung magnetischer Felder in Echtzeit mittels eines einzelnen Defektzentrums. Bei Testmessungen von externen Feldern und ortsaufgelösten Messungen an einem magnetischen Mikrodraht wurden Empfindlichkeiten von einigen Miktotesla pro Wurzelhertz festgestellt

A realistic fabrication and design concept for quantum gates based on single emitters integrated in plasmonic-dielectric waveguide structures

Tremendous enhancement of light-matter interaction in plasmonic-dielectric hybrid devices allows for non-linearities at the level of single emitters and few photons, such as single photon transistors. However, constructing integrated components for such devices is technologically extremely challenging. We tackle this task by lithographically fabricating an on-chip plasmonic waveguide-structure connected to far-field in- and out-coupling ports via low-loss dielectric waveguides. We precisely describe our lithographic approach and characterize the fabricated integrated chip. We find excellent agreement with rigorous numerical simulations. Based on these findings we perform a numerical optimization and calculate concrete numbers for a plasmonic single-photon transistor