Diamond-based quantum simulator – surface and material challenges

Abstract

The development of quantum technologies, such as quantum simulators, promises significant advancements in the study of complex systems, including many-body physics. One promising approach for realizing a quantum simulator is to use nitrogen-vacancy (NV) centers in diamond. A hybrid system, in which an NV center serves as a quantum probe for initialization, manipulation and readout, while nuclear spin arrays on the diamond surface function as qubits, presents a potential direction for quantum simulator development.

NV centers are widely used as quantum sensors due to their unique properties. However, their high sensitivity, while advantageous, also introduces challenges in the fabrication and stability of a diamond-based quantum simulator. Achieving a functional system requires careful consideration of structural complexity, material interactions, and environmental conditions.

This PhD thesis explores and addresses the challenges encountered during the fabrication process of an NV-based quantum simulator. From hyperfine interactions to limitations imposed by experimental equipment, this study provides a comprehensive overview of the complexities involved. Additionally, it presents potential strategies for mitigating these challenges, contributing to the ongoing development of scalable and reliable quantum simulation platforms.

A diamond-based quantum simulator offers promising advantages, including room-temperature operation, non-destructive measurements, and the potential for long-lived quantum memories. Advances in diamond growth, surface engineering, and quantum control techniques are steadily improving the stability and coherence of NV centers, bringing this technology closer to practical realization. While large-scale NV-based quantum simulators have yet to be implemented, this work represents an important step toward their feasibility, identifying key material and control challenges that must be addressed to unlock their full potential.

Die Entwicklung von Quantentechnologien, wie z. B. Quantensimulatoren, verspricht bedeutende Fortschritte bei der Untersuchung komplexer Systeme, einschließlich der Vielteilchenphysik. Ein vielversprechender Ansatz zur Realisierung eines Quantensimulators ist die Nutzung von Stickstoff-Fehlstellen (NV-Zentren) in Diamant. Ein hybrides System, bei dem ein NV-Zentrum als Quantensonde für Initialisierung, Manipulation und Auslesen dient, während Kernspin-Arrays auf der Diamantoberfläche als Qubits dienen, stellt eine mögliche Richtung für die Entwicklung von Quantensimulatoren dar.

NV-Zentren werden aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften häufig als Quantensensoren eingesetzt. Ihre hohe Empfindlichkeit ist zwar vorteilhaft, stellt aber auch eine Herausforderung für die Herstellung und Stabilität eines Quantensimulators auf Diamantbasis dar. Um ein funktionsfähiges System zu erhalten, müssen die strukturelle Komplexität, die Materialwechselwirkungen und die Umgebungsbedingungen sorgfältig berücksichtigt werden.

Diese Doktorarbeit befasst sich mit den Herausforderungen, die bei der Herstellung eines NV-basierten Quantensimulators auftreten. Von Hyperfein-Wechselwirkungen bis hin zu Beschränkungen durch experimentelle Ausrüstung bietet diese Studie einen umfassenden Überblick über die damit verbundenen Komplexitäten. Darüber hinaus werden potenzielle Strategien zur Entschärfung dieser Herausforderungen vorgestellt, die einen Beitrag zur laufenden Entwicklung skalierbarer und zuverlässiger Quantensimulationsplattformen leisten.

Ein Quantensimulator auf Diamantbasis bietet vielversprechende Vorteile, darunter den Betrieb bei Raumtemperatur, zerstörungsfreie Messungen und das Potenzial für langlebige Quantenspeicher. Fortschritte in der Diamantwachstum, der Oberflächenmodifikation und den Quantenkontrolltechniken verbessern stetig die Stabilität und Kohärenz der NV-Zentren und bringen diese Technologie der praktischen Anwendung näher. Obwohl NV-basierte Quantensimulatoren noch nicht umfangreich realisiert wurden, stellt diese Arbeit einen wichtigen Schritt auf dem Weg zu ihrer Realisierbarkeit dar, indem sie die wichtigsten Herausforderungen in Bezug auf Material und Kontrolle aufzeigt, die bewältigt werden müssen, um ihr volles Potenzial auszuschöpfen.