#Forschungsspecial: Maximilian Hollendonner arbeitet an Quantennetzwerken

Mit #Forschungsspecial bieten wir Doktorandinnen und Doktoranden unseres Departments die Möglichkeit, ihre Forschungsthemen einer breiten Öffentlichkeit vorzustellen. Den Auftakt zum Wintersemester macht Maximilian Hollendonner vom Institute of Applied Quantum Technologies (AQuT).

Kurzinfo:

Name: Maximilian Hollendonner

Lehrstuhl: Institute of Applied Quantum Technologies (AQuT)

Forschungsgebiet: Quantennetzwerke

Lieber Herr Hollendonner, würden Sie sich kurz vorstellen?

Mein Name ist Maximilian Hollendonner, ich bin 27 Jahre alt und komme aus dem oberfränkischen Steinwiesen. Nach einem freiwilligen Wehrdienst beim Marinemusikkorps Kiel habe ich mich dafür entschieden, hier an der FAU Physik zu studieren. Mich haben in meinem Studium speziell die Quantenmechanik-Vorlesungen fasziniert und ich konnte mich schon während meiner Bachelorabeit mit Quantencomputern beschäftigen, was mich sehr faszinierte. Dieser Faszination folgend, habe ich mich dazu entschlossen, meine Masterarbeit im Bereich der Angewandten Quantentechnologien zu schreiben.

Worum ging es denn in Ihrer Masterarbeit?

Ich folgte der Fragestellung, wie sich Farbzentren in Nanodiamanten als Sensoren im Elektrolyten von Batterien verwenden lassen. Diese Masterarbeit war eine Kooperation zwischen Prof. Silvia Viola Kusminskiy (Max-Planck Institut für die Physik des Lichts, Erlangen und RWTH Aachen) und Prof. Roland Nagy (Lehrstuhl für Angewandte Quantentechnologien).

Im Laufe meiner Masterarbeit bot Prof. Nagy mir eine Promotion an, in welcher es thematisch um die Realisierung eines Quantennetzwerks anhand von Silizium-Fehlstellen in 4H-SiC geht. Da ich Quantencomputing basierend auf Farbzentren als ein sehr spannendes und vielversprechendes Forschungsfeld empfinde, nahm ich dieses Angebot gerne an.

Neben der eigentlichen Forschung bin ich jetzt als Doktorand natürlich auch in die Lehre eingebunden und betreue neben Übungen auch Studenten bei Forschungspraktika, sowie Bachelor und Masterarbeiten.

Könnten Sie uns etwas näher erläutern, was genau Sie an Ihrem Forschungsgebiet fasziniert?

Das Feld der Quantentechnologien ist zwar ein noch sehr junges, dafür aber auch sehr dynamisches und agiles Forschungsfeld. Alleine in den letzten Jahren konnten dadurch Anwendungen realisiert werden, welche die Quanteneigenschaften elementarster Grundbausteine unserer Natur aktiv kontrollieren und nutzen. Quantennetzwerke werden es irgendwann erlauben, eine Vielzahl von quantentechnologischen Anwendungen in einem Quanteninternet zu kombinieren.

Mich fasziniert es besonders, dass es mittlerweile möglich ist, Anwendungen zu bauen, welche nicht nur auf quantenmechanischen Gesetzen beruhen, sondern dass wir diese auch aktiv in den Bereichen der Sensorik, des Computings und in der Kommunikation ausnutzen können. Am Lehrstuhl verwenden wir hierfür sogenannte Farbzentren in Diamanten und Silizium-Karbid-Kristallen. Um Farbzentren zu erzeugen, werden unsere Proben beispielsweise mit Elektronen bestrahlt, wodurch einige Atome aus dem Kristallgitter entfernt werden. An den so entstehenden Fehlstellen (Farbzentren) befinden sich stark lokalisierte Elektronen. Diese Elektronen haben einen Gesamtspin, der die Grundlage für alle quantentechnologischen Anwendungen bietet.

Worum geht es denn genau in Ihrer Doktorarbeit?

Begonnen habe ich meine Doktorarbeit mit dem Titel „Realization of a distributed quantum network based on silicon vacancy centers in 4H silicon carbide” am 1. August 2022. Konkret geht es darum, quantenmechanische Verschränkung zwischen zwei Farbzentren zu erzeugen, welche räumlich mehrere Meter voneinander getrennt sind.

Sollte es uns gelingen, solch ein Quantennetzwerk zu realisieren, wäre das ein wichtiger Schritt dahin, ein sogenanntes „Quantum Internet of Things“ zu realisieren, in dem verschiedene quantentechnologische Anwendungen, wie etwa Quantensensoren oder Quantencomputer, miteinander kommunizieren könnten. Da sowohl Quantencomputer als auch Quantensensoren bereits kommerziell verfügbar sind, wäre solch ein Netzwerk durchaus etwas, was uns in der Zukunft im Alltag begegnen könnte.

Das klingt sehr spannend! Wie muss man sich als Laie die Arbeit an der Dissertation vorstellen?

Wir initialisieren und kontrollieren unsere Farbzentren durch einzelne Laserpulse und können in Verbindung damit durch Mikrowellensignale die einzelnen Spinzustände ansteuern. Das heißt, wir arbeiten in einem Optiklabor und kühlen unsere Silizium-Karbid-Proben durch Kryostate auf ca. 5K herab. Im letzten Jahr habe ich mich viel damit beschäftigt, solch einen Aufbau zu realisieren und erste Messungen durchzuführen.

Hierbei gehen experimentelle Arbeit im Labor und theoretische Betrachtungen Hand in Hand, da man sich beispielsweise überlegen muss, wie einzelne Spinzustände gezielt initialisiert, manipuliert und ausgelesen werden können. Die eigentlichen Messungen werden dann durchgeführt, indem die vorher entworfenen Pulssequenzen dann programmiert und die emittierten Photonen durch einen supraleitenden Detektor gemessen werden.

Lieber Herr Hollendonner, vielen Dank für dieses interessante Interview!

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