FDST Patentanwälte, Nürnberg Seite 1 P220491P-RF/TS/CH PVA11327 Beschreibung Verfahren zum Auslesen eines Spinzustandes eines Spinensembles Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Auslesen eines Spinzustandes eines Spi- nensembles, wobei das Spinsensemble in einer Koppeleinrichtung angeordnet und mittels dieser mit einer elektromagnetischen Strahlungsquelle gekoppelt ist. Die Spins des Spinensembles weisen hierbei zwei aufgespaltene Spinniveaus auf, welche über eine Übergangsfrequenz voneinander getrennt sind, wobei ein Über- gang zwischen den Spinniveaus mit einer Rabifrequenz mittels der Strahlungs- quelle in der Koppeleinrichtung treibbar ist. Unter einem Spinensemble wird eine Anzahl von gleichartigen Spins, insbeson- dere eine Vielzahl derartiger Spins, verstanden. Unter „Spin“ ist hierbei eine den Elementarteilchen und damit auch den zusammengesetzten Teilchen (Hadronen) und Atomkernen innewohnende Form des Drehimpulses zu verstehen. Der Spin eines (Elementar-)Teilchens wechselwirkt mit elektromagnetischen Fel- dern und führt zu einer Aufspaltung der Energieniveaus, wobei die entsprechen- den Energieniveaus auch als Spinniveaus bezeichnet sind, und wobei den Spinni- veaus jeweils ein Zustand des Spins (Spinzustand) zuordenbar ist. Die Erfassung und Detektion der Spinzustände ermöglicht somit einen Rückschluss auf die elekt- romagnetischen Felder im Umfeld des jeweiligen Spins, so dass Spinsysteme häufig als Quantensensoren verwendet werden. Hierbei werden in der Regel Qubit-Spinsysteme, also Spinsysteme mit zwei Spinniveaus, welche als ein Qubit (Quantenbit) verwendet werden können, eingesetzt. Die zwei Spinzustände des Qubits, welche den Spinniveaus zugeordnet sind, sind beispielsweise als |0^ und |1^ bezeichnet. Eine Messung des elektromagnetischen (\\fs2012\gsi-software\winpat5\document\amt\3853517.docx) letzte Speicherung: 11. September 2023 FDST Patentanwälte, Nürnberg Seite 2 Feldes wird hierbei in Besetzung oder Phase des Spins kodiert. Mathematisch for- muliert wird der Spin in einen Zustand präpariert, bei dem die Besetzung ^ oder die Phase ^ von dem zu messenden Feld abhängt. Die Messung oder Auslesung des Spinzustands |^^ entspricht somit der Erfassung der Besetzung ^ und Phase ^. Dieses Messprinzip findet sich in al- len magnetischen Resonanztechniken, wie beispielsweise in der Kernspin- oder in der Elektronenspinresonanzspektroskopie. Festkörper-Quantensensoren werden intensiv untersucht, da Festkörper-Spin- Qubits häufig längere Koheränzzeiten aufweisen, und somit genauere Messungen der zu untersuchenden Felder ermöglichen. In der Grundlagenforschung stehen meistens atomar kleine Sensoren aus einem einzelnen Festkörper-Spin-Qubit im Fokus. Industriell sind dagegen insbesondere Sensoren aus großen (Spin-)En- sembles von Qubits vielversprechend. Die Mittelung über viele Qubits oder Spins ermöglicht eine höhere Empfindlichkeit oder eine schnellere Messung, sowie ein stärkeres Signal. Letzterer Aspekt reduziert den Detektionsaufwand, was eine Mi- niaturisierung des Messaufbaus und die Fertigung als integrierte Schaltung er- möglicht. Das Auslesen von Ensemble-Sensoren ist ein Problem auf dem Weg zu skalierba- ren Geräten und einer Massenanwendung. Aktuell konzentriert sich die Forschung und Entwicklung auf zwei Ansätze: optisches Auslesen und photoelektrisches Auslesen. Bei einem optischen Auslesen werden die Spins optisch angeregt, z.B. mit einem Laser, und ein resultierendes optisches Signal in ein elektrisches Signal verwan- delt. Das optische Auslesen funktioniert lediglich für wenige Arten von Spins, bei denen ein optisches Signal vom Spinzustand abhängt. Diese Spins heißen im all- gemeinen Sprachgebrauch „optisch auslesbar“. Beispielsweise weist das Stick- stofffehlstellenzentrum (NV-Zentrum) in Diamant einen optisch auslesbaren Elekt- ronenspin als Qubit-Spin auf, wobei das NV-Zentrum bei einer optischen Anre- gung eine spinabhängige Fluoreszenz erzeugt. Die Fluoreszenzintensität korreliert (\\fs2012\gsi-software\winpat5\document\amt\3853517.docx) letzte Speicherung: 11. September 2023 FDST Patentanwälte, Nürnberg Seite 3 mit dem Zustand des Qubit-Spins und lässt sich daher als primäres Sensorsignal nutzen, etwa durch Detektion mit einer Fotodiode. Dieses Ausleseverfahren ist le- diglich mit hohem Aufwand miniaturisierbar, da es integrierte Optiken für Anre- gung, spektrale Filterung und Detektion der Fluoreszenz benötigt. Zudem ist es auf spezielle, fluoreszenzerzeugende, Festkörper-Spins beschränkt. Das optische Auslesen kann kompakt in ein Gerät integriert werden, beispielsweise mittels einer integrierten optoelektronischen Schaltung. Hierbei sind beispielsweise verfaserte Sensoren oder Sensoren mit integrierter Mikrooptik denkbar. Die gesamte Detekti- ons- und Kontrollelektronik kann hierbei auf einem CMOS-Chip integriert werden. Alle diese Techniken weisen jedoch einen hohen Komplexitätsgrad auf. Die Emp- findlichkeit der integrierten Sensoren ist aktuell Größenordnungen von fundamen- talen Grenzen entfernt, beispielsweise ist in D. Kim et al, Nat. Electron.2, 284 (2019) eine Empfindlichkeit von 32 μT/√Hz (Mikrotesla pro Wurzel Hertz) offen- bart, während nicht-miniaturisierte Laboraufbauten Empfindlichkeiten im pT-Be- reich (Pikotesla) erreichen. Alternativ ist ein photoelektrisches Auslesen des Spinzustands möglich. Hierbei wird durch eine optische Anregung des Spins ein spinabhängiger Fotostrom (Pho- tostrom) erzeugt, z.B. durch spinabhängige Ionisation. Photoelektrisches Auslesen benutzt dieselben spinabhängigen optischen Übergänge wie optisches Auslesen, um Spin-Qubits spinabhängig zu ionisieren und damit einen spinabhängigen Pho- tostrom zu generieren. Dieser wird elektrisch ausgelesen, was mit erheblich höhe- rer Detektionseffizienz möglich ist, als die Detektion der emittierten Fluoreszenz- photonen. Auch dieses Verfahren funktioniert lediglich für eine begrenzte Arten von Spins, welche entsprechende spinabhängige Übergänge besitzen. Ein grund- legendes Problem beim photoelektrischen Auslesen bleibt die Existenz von Leck- strömen, sowie von Hintergrundströmen durch die Ionisation anderer Defekte. Da diese systematischen Fehler zeitlich fluktuieren, beschränken sie die realisierbare Empfindlichkeit. Ensemble-Sensoren mit vielen Spins enthalten zwingend viele dieser Hintergrunddefekte. Hier erreicht die Methode lediglich eine Empfindlich- keit, die mit optischem Auslesen vergleichbar ist. (\\fs2012\gsi-software\winpat5\document\amt\3853517.docx) letzte Speicherung: 11. September 2023 FDST Patentanwälte, Nürnberg Seite 4 Der Spinzustand eines Spinensembles kann beispielsweise auch induktiv ausle- sen werden. Hierbei wird genutzt, dass sich Spins in einem extern angelegten Magnetfeld drehen (im Magnetfeld „präzedieren“, sogenannte Larmor-Präzession). Da Spins magnetische Dipole sind, kann bei dieser Drehung eine Spannung in ei- nem nahegelegenen Schaltkreis induziert werden. Übliche Empfänger-Schalt- kreise sind Spulen (in der Kernspinresonanz) oder Resonatoren (in der gepulsten Elektronenspinresonanz). Nachteiligerweise sind induktive Ausleseverfahren nicht beliebig miniaturisierbar, da der Eigenwiderstand der Induktionsspule bei Spulen- durchmessern kleiner 2 mm (Millimeter) die induzierte Spannung übersteigt. Dies kann teilweise mit supraleitenden Spulen behoben werden, jedoch sind hierbei aufgrund der notwendigen thermischen Isolation Grenzen bei der Miniaturisierung gesetzt. Weiterhin ist beispielsweise ein spektroskopisches Auslesen des Spinzustands möglich. Hierbei werden die Spins mit elektromagnetischer Strahlung in der Nähe ihres Spin-Übergangs getrieben, und eine Änderung der Strahlung in Amplitude oder Phase gemessen. Dieses Ausleseverfahren ist als Absorptionsspektroskopie die Grundlage für Elektronenspinresonanz, durch die Messung einer dispersiven Verschiebung die Grundlage für das Auslesen supraleitender Qubits, und wird bei- spielsweise in der WO 2020/046860 A1 für das Auslesen von Spinsensoren ver- wendet. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein besonders geeignetes Verfahren zum Auslesen Spinzustandes eines Spinensembles anzugeben. Insbesondere soll ein Verfahren angegeben werden, welches eine möglichst einfache Miniaturisie- rung ermöglicht. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, eine beson- ders geeignete Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben. Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und hinsichtlich der Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 12 erfindungs- gemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegen- stand der Unteransprüche. Die im Hinblick auf das Verfahren angeführten Vorteile (\\fs2012\gsi-software\winpat5\document\amt\3853517.docx) letzte Speicherung: 11. September 2023 FDST Patentanwälte, Nürnberg Seite 5 und Ausgestaltungen sind sinngemäß auch auf die Vorrichtung übertragbar und umgekehrt. Sofern nachfolgend Verfahrensschritte beschrieben werden, ergeben sich vorteil- hafte Ausgestaltungen für die Vorrichtung insbesondere dadurch, dass diese aus- gebildet ist, einen oder mehrere dieser Verfahrensschritte auszuführen. Das erfindungsgemäße Verfahren ist zum Auslesen eines Spinzustandes eines Spinensembles vorgesehen sowie dafür geeignet und ausgestaltet. Das Spinen- semble weist hierbei eine Anzahl von gleichartigen Spins, insbesondere Qubit- Spins, vorzugsweise Festkörper-(Qubit-)Spins, auf. Das Spinensemble umfasst zumindest einen Spin (Einzelspin), insbesondere eine Vielzahl von Spins, bei- spielsweise 10 ¹⁰ bis 10 ¹⁵ Spins. Unter einem Spinzustand des Spinensembles ist hier und im Folgenden insbesondere ein gemittelter Spinzustand der einzelnen Spinzustände der Ensemble-Spins zu verstehen. Verfahrensgemäß ist das Spinensemble in einer Koppeleinrichtung (Kopplungs- instrument) angeordnet, und mittels dieser mit einer elektromagnetischen Strah- lungsquelle gekoppelt. Die Strahlungsquelle erzeugt im Betrieb ein insbesondere elektromagnetisches Strahlungssignal, welches mittels der Koppeleinrichtung in das Spinensemble eingekoppelt wird. Die Spins des Spinensembles weisen zwei aufgespaltene Spinniveaus (Spin- Energielevel) auf. Vorliegend wird die gängige Konvention verwendet, bei welcher Energiewerte in Einheiten der Frequenz ausgedrückt werden. Die Spinniveaus sind hierbei durch eine Übergangsfrequenz (Resonanzfrequenz) voneinander ge- trennt. Bei einer resonanten Anregung mit der Übergangsfrequenz werden Spinüber- gänge zwischen den Spinniveaus angeregt. Es werden also Änderungen in der Besetzung der Spinniveaus bewirkt. Die Frequenz oder Rate mittels welcher diese Spinübergänge durch das über die Koppeleinrichtung eingekoppelte resonante Strahlungssignal der Strahlungsquelle getrieben werden, ist als Rabifrequenz (\\fs2012\gsi-software\winpat5\document\amt\3853517.docx) letzte Speicherung: 11. September 2023 FDST Patentanwälte, Nürnberg Seite 6 bezeichnet. Die Rabifrequenz ist hierbei im Wesentlichen abhängig von der Amplitude des eingekoppelten Strahlungssignals, wobei eine höhere Amplitude in einer erhöhten Rabifrequenz resultiert. Die Rabifrequenz ist also ein Maß für die Stärke oder Amplitude der Anregungsstrahlung. Erfindungsgemäß weist das Verfahren einen Initialisierungsschritt, einen Sensorik- schritt, und einen Ausleseschritt auf. In dem Initialisierungsschritt wird ein bekannter Anfangszustand des Spinensem- bles, also ein anfänglicher Spinzustand des Spinensembles, erzeugt oder initiali- siert. Beispielsweise wird das Spinensemble in einen Spinzustand polarisiert, so dass für eine überwiegende Anzahl der Spins eines der Spinniveaus mit einer hö- heren Wahrscheinlichkeit besetzt ist, als das andere. In einer denkbaren Ausfüh- rungsform wird das Spinensemble beispielsweise thermisch oder optisch polari- siert. In dem Sensorikschritt entwickelt sich der Anfangszustand zu einem Endzustand, also zu einem Spinzustand des Spinensembles am Ende des Sensorikschritts. Die Entwicklung des Anfangszustands zu dem Endzustand kann in Abhängigkeit einer physikalischen Größe, beispielsweise eines Magnetfelds, erfolgen. Dies bedeutet, dass das Spinensemble zumindest während des Sensorikschritts in Kontakt mit der physikalischen Größe sein kann, so dass es durch Erfassung des Endzu- stands möglich ist, Informationen über die physikalische Größe anhand des Spi- nensembles zu bestimmen. Das Spinensemble wird also verfahrensgemäß bei- spielsweise als ein Quantensensor oder Spinsensor verwendet. Der Sensorikschritt kann eine Wartezeit sein, in welcher sich der Anfangszustand in der Präsenz der physikalischen Größe zu dem Endzustand entwickelt. Vorzugs- weise umfasst der Sensorikschritt jedoch ein Quanten- oder Sensorikprotokoll in Form einer Pulssequenz. Die Pulssequenz umfasst eine Anzahl von Pulsen, also Strahlungssignalen einer bestimmten Dauer, wobei die Dauer anhand der Rabifre- quenz bestimmbar ist. Beispielsweise weist ein π/2-Puls eine Pulsdauer auf, wel- che einem Viertel der inversen Rabifrequenz entspricht, wobei ein π-Puls der (\\fs2012\gsi-software\winpat5\document\amt\3853517.docx) letzte Speicherung: 11. September 2023 FDST Patentanwälte, Nürnberg Seite 7 Hälfte der inversen Rabifrequenz entspricht. Durch die Pulse sind die Besetzungs- zustände der Spins und somit der Spinzustand manipulierbar (bspw. invertiert ein π-Puls die Besetzungszustände der Spinniveaus), so dass die Entwicklung des Anfangszustands zum Endzustand beispielsweise lediglich für bestimmte Fre- quenzen der physikalischen Größe empfindlich ist. Als Pulssequenz kann bei- spielsweise ein Hahn-Echo, eine XY-Sequenz, eine CPMG-Sequenz, oder derglei- chen verwendet werden. Im Ausleseschritt wird der Endzustand erfasst oder gemessen. Zum Auslesen des Endzustands wird erfindungsgemäß eine kontinuierliche Anregungsstrahlung mit einer gegebenen Anregungsfrequenz und/oder Anregungsphase von der Strah- lungsquelle in die Koppeleinrichtung eingekoppelt. Die Anregungsstrahlung ist ein Strahlungssignal der Strahlungsquelle zum Zwecke des Ausleseschritts. Die Anre- gungsstrahlung ist hierbei insbesondere ein oszillierendes periodisches Signal, beispielsweise ein Sinussignal, mit einer bekannten (Signal-)Frequenz und Pha- senlage, welche für die Dauer des Ausleseschritts kontinuierlich, also unterbre- chungsfrei, mittels der Koppeleinrichtung in das Spinensemble eingestrahlt wird. Die Anregungsstrahlung ist also beispielsweise ein CW-Signal (CW: Continuous Wave), mit einer konstanten Signalamplitude (Anregungsamplitude). Das Spinensemble wird mit der eingekoppelten Anregungsstrahlung angeregt. Dies bedeutet, dass der Endzustand mittels der Anregungsstrahlung manipuliert oder verändert wird. Das Spinensemble erzeugt hierbei als Folge der Anregung eine Ausgangsstrahlung, wobei die Ausgangsstrahlung abhängig von dem Endzu- stand ist. Die Ausgangsstrahlung ist hierbei ein von dem Spinensemble erzeugtes Strahlungssignal, welches aus der Koppeleinrichtung ausgekoppelt und als Ausle- sesignal erfasst wird. Die aus der Koppeleinrichtung ausgekoppelte Ausgangs- strahlung wird von einem Aufnahme- oder Detektionsgerät erfasst und in das ins- besondere elektrische Auslesesignal gewandelt. Das Aufnahmegerät kann bei- spielsweise ein Oszilloskop sein. Vor dieser Aufnahme kann die ausgekoppelte Ausgangsstrahlung auf geeignete Weise gefiltert und/oder verstärkt werden. Es ist auch denkbar, dass die Ausgangsstrahlung nach dem Auskoppeln aus der Koppe- leinrichtung mit einer anderen Strahlung überlagert oder gemischt wird. (\\fs2012\gsi-software\winpat5\document\amt\3853517.docx) letzte Speicherung: 11. September 2023 FDST Patentanwälte, Nürnberg Seite 8 Erfindungsgemäß wird der Endzustand des Spinensembles anhand eines zwi- schen der Anregungsstrahlung und dem Auslesesignal auftretenden Frequenz- und/oder Phasenunterschieds bestimmt. Mit anderen Worten wird untersucht, in- wieweit sich das von dem Spinensemble erzeugte Auslesesignal hinsichtlich des- sen (Signal-)Frequenz und/oder (Signal-)Phasenlage von dem mittels der Koppe- leinrichtung eingestrahlten Anregungsstrahlung unterscheidet. Dadurch ist ein be- sonders geeignetes Verfahren zum Auslesen eines Spinzustands des Spinensem- bles realisiert. Die Konjunktion „und/oder“ ist hier und im Folgenden derart zu verstehen, dass die mittels dieser Konjunktion verknüpften Merkmale sowohl gemeinsam als auch als Alternativen zueinander ausgebildet sein können. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dem spektroskopischen Auslesen verwandt, weicht aber in entscheidenden Punkten davon ab. Im Gegensatz zum spektrosko- pischen Auslesen wird nicht die vom Spinensemble transmittierte oder reflektierte Anregungsstrahlung als Auslesesignal verwendet, sondern eine von dem Spinen- semble aufgrund der Anregung erzeugte Ausgangsstrahlung. Mit anderen Worten wird anstelle der transmittierten/reflektierten Anregungsstrahlung ein sekundäres Strahlungssignal (Ausgangsstrahlung) genutzt, welches direkt von den untersuch- ten Spins erzeugt wird. Verfahrensgemäß werden die Spins durch Detektion eines Signals ausgelesen, das auf einer anderen Frequenz als derjenigen der Anregungsstrahlung liegen kann, jedoch durch die Anregungsstrahlung induziert, und durch die Spins erzeugt wird. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann die Detektion oder Erfassung des Auslesesignals also auf einer Frequenz erfolgen, welche sich von der Fre- quenz der Anregungsstrahlung unterscheidet. Hierbei ist anzumerken, dass das klassisches Auslesen von Spins über Free Induction Decay (FID), das etablier- teste Verfahren zum Auslesen von Spins in der Kernspinresonanz-Spektroskopie, ebenfalls ein Auslesesignal detektiert, das nicht auf der Anregungsfrequenz (Über- gangsfrequenz) liegt. Hierbei wird allerdings die Anregungsstrahlung nicht (\\fs2012\gsi-software\winpat5\document\amt\3853517.docx) letzte Speicherung: 11. September 2023 FDST Patentanwälte, Nürnberg Seite 9 während des Auslesens angelegt, sondern lediglich im Sensorikschritt zur Präpa- ration des Spinzustandes. Dadurch, dass in dem Sensorikschritt Pulssequenzen als Protokolle verwendet werden können, ist eine Messung der physikalischen Größe während des Senso- rikschritts möglich, welche durch die Kohärenzzeit des Spinensembles (sog. T2- Zeit) limitiert ist. Im Gegensatz hierzu ist das in WO 2020/046860 A1 beschrie- bene Verfahren durch die inhomogene Verbreiterung (sog. T2*-Zeit) limitiert, wel- che wesentlich geringer als die Kohärenzzeit ist. Das ist insbesondere für Ensem- ble-Sensoren wichtig, weil die T2-limitierten Protokolle empfindlicher sind, und auch weniger Pumplicht bei einer optischen Polarisierung benötigen. Das erfindungsgemäße Verfahren macht miniaturisierte Optiken für die Filterung und Detektion von Fluoreszenzlicht überflüssig. Im Falle einer optischen Polarisie- rung während des Initialisierungsschritts ist zwar weiter eine Lichtquelle zur Polari- sation der Ensemble-Spins benötigt, diese kann jedoch breitbandig ausgeführt sein, etwa als eine bauraumkompakte und kostengünstige Leuchtdiode. Diese Lichtquelle und das Spinensemble selber bleiben damit die einzigen Komponen- ten, welche nicht mittels CMOS-Technologie (CMOS: Complementary Metal-Oxide Semiconductor) integrierbar sind. In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Spinensemble aus Elektronen- spins verwendet. Elektronenspins koppeln aufgrund ihres hohen gyromagneti- schen Verhältnisses besonders stark an die elektromagnetische Anregungsstrah- lung sowie an die zu untersuchende physikalische Größe. Durch die starke Kopp- lung an die physikalische Größe ist eine bessere Bestimmung der Eigenschaften anhand des Endzustands ermöglicht. Weiterhin ermöglicht die hohe Kopplung an die Anregungsstrahlung hohe Rabifrequenzen, und somit eine hohe Anregung der Ensemble-Spins während des Ausleseschritts, so dass eine entsprechend starke Ausgangsstrahlung erzeugbar ist. Dadurch wird das Signal-zu-Rauschverhältnis bei der Erfassung des Auslesesignals verbessert, so dass besonders hohe Emp- findlichkeiten bei einem Einsatz des Spinensembles als Spinsensor ermöglicht sind. (\\fs2012\gsi-software\winpat5\document\amt\3853517.docx) letzte Speicherung: 11. September 2023 FDST Patentanwälte, Nürnberg Seite 10 Im Gegensatz zum spektroskopischen Auslesen ermöglicht das erfindungsge- mäße Verfahren auch ein Auslesen der Spins in einem instationären Zustand, also einem Zustand, welcher kein Eigenzustand ihres Hamiltonoperators ist. Als Hamil- tonoperator wird hierbei der Hamiltonoperator in Abwesenheit der Anregungs- strahlung verstanden. In einer vorteilhaften Weiterbildung wird daher in dem Sen- sorikschritt als Endzustand eine kohärente Superposition der Spinzustände der Spinniveaus erzeugt. Die Spinzustände der Spinniveaus sind hierbei die Eigenzu- stände des Hamiltonoperators. Auch die klassische FID-Detektion findet in einem instationären Zustand statt, jedoch wird hierbei keine Anregungsstrahlung im Aus- leseschritt verwendet. Bezogen auf eine Blochkugel (Blochsphäre), deren Polpunkte durch die Spinzu- stände der Spinniveaus gebildet ist, kann der Spinzustand des Spinensembles hierbei als ein Vektor aufgefasst werden, wobei die Z-Komponente des Vektors Sz entlang der Polverbindungslinie und die X- und Y-Komponenten des Vektors Sx, Sy in der Äquatorebene angeordnet sind. Die Spinkomponenten Sx und Sy ent- sprechen Superpositionszuständen der Spinniveau-Spinzustände. Entsprechend ist der Endzustand als ein Zustand auf der Blochkugel zu verstehen. In einer geeigneten Ausführung wird die Ausgangsstrahlung durch Absorption der Anregungsstrahlung und durch stimulierte Emission von dem Spinensemble er- zeugt. Bildlich gesprochen wird der insbesondere auf dem Äquator angeordnete Endzustand durch die Anregungsstrahlung kontinuierlich um eine Achse (bei- spielsweise die X-Achse) gedreht. Dies bedeutet, dass der Endzustand vom Äqua- tor zu einem der Blochkugel-Pole und wieder zum Äquator und zum gegenüberlie- genden Blochkugel-Pol usw. gedreht wird. Die Spins werden also mittels der Anre- gungsfrequenz kontinuierlich durch Absorption der Anregungsstrahlung von dem unteren Spinniveau auf das obere Spinniveau angeregt, und fallen aufgrund der mittels der Anregungsstrahlung stimulierten Emission zurück auf das untere Spin- niveau, wobei beim Zurückfallen die Ausgangsstrahlung erzeugt wird. Die Rate mittels welcher die Ausgangsstrahlung erzeugt wird, ist somit von der Rabifre- quenz abhängig, mittels welcher die Spins während des Ausleseschritts von der (\\fs2012\gsi-software\winpat5\document\amt\3853517.docx) letzte Speicherung: 11. September 2023 FDST Patentanwälte, Nürnberg Seite 11 Anregungsstrahlung manipuliert werden. Je nach Phasenlage der eingekoppelten Anregungsstrahlung wird die Ausgangsstrahlung somit verstärkt (wie in einem MASER), in der Phase verschoben oder abgeschwächt. Durch die Ausgangsstrahlung ist somit ein „stimuliertes Auslesen“ ermöglicht, mit- tels welchen die Spinkomponenten Sx und Sy statt Sz auslesbar sind. Die stimu- lierte Emission ist am stärksten für Spins auf dem Äquator der Blochkugel, also mit möglichst großer Komponente Sx bzw. Sy. Diese Komponenten kodieren in einer Sensoranwendung auch das Signal der physikalischen Größe (bspw. Magneto- metriesignal). Gängige Verfahren (optisches Auslesen, photoelektrisches Ausle- sen, spektroskopisches Auslesen) detektieren stets lediglich die Z-Komponente Sz, was eine zusätzliche Komplikation darstellt. Bei Elektronenspins sind beispielsweise Rabifrequenzen im Bereich von Mega- hertz (MHz) bis Gigahertz (GHz) möglich, so dass entsprechend hohe Emissions- raten der Ausgangsstrahlung bei einem Elektronenspin-Ensemble realisierbar ist. Dadurch sind Signalstärken oder Intensitäten der Ausgangsstrahlung möglich, welche vergleichbar mit gängigen Bluetooth-Signalen sind, so dass eine ver- gleichsweise einfache und zuverlässige Erfassung des Auslesesignals gegeben ist. Dadurch ist eine besonders hohe Empfindlichkeit beim Messen der physikali- schen Größe ermöglicht. In einer bevorzugten Ausgestaltung wird das Auslesesignal elektrisch erfasst. Die aus der Koppeleinrichtung ausgekoppelte Ausgangsstrahlung wird also als ein elektrischer Strom und/oder als eine elektrische Spannung gemessen. Durch die somit ermöglichte elektrische Integration liefert das Verfahren automatisch ein elektrisches Signal. Das Spin-Signal (Ausgangsstrahlung) wird also direkt elektrisch ohne den Umweg über Fluoreszenz ausgelesen. Die Durchführung des Verfahrens benötigt damit keine Mikrooptik mehr, und kann eine größere Klasse von Festkörper-Spins auslesen. Insbesondere bei Elektronikspinensemblen und den dadurch möglichen hohen Emissionsraten der Ausgangsstrahlung ist die Verwendung von (\\fs2012\gsi-software\winpat5\document\amt\3853517.docx) letzte Speicherung: 11. September 2023 FDST Patentanwälte, Nürnberg Seite 12 Koppeleinrichtungen schlechter Güte, einschließlich metallischen Resonatoren mit Gütefaktor Q zwischen 10 und 100, oder auch von Leiterschleifen und propagie- renden Mikrowellen ohne jede Resonanz möglich. Die Koppeleinrichtung kann eine Spule (Coil) oder eine anderweitig geeignete Lei- terstruktur, beispielsweise eine Streifenleitung (Strip Line) sein. Ein zusätzlicher oder weiterer Aspekt der Erfindung sieht vor, dass als Koppeleinrichtung insbe- sondere ein Strahlungsresonator verwendet wird. Unter einem Strahlungsresona- tor ist hierbei insbesondere ein metallischer Resonator zu verstehen. Beispiels- weise wird ein Mikrowellenresonator verwendet. Das erfindungsgemäße Verfahren ist somit auf Spinensembles beliebiger Größe skalierbar, da optimierte Mikrowel- lenresonatoren für alle Dimensionen von Mikrometern bis Millimetern existieren. Weiterhin können somit beliebige Spindefekte oder Spins ausgelesen werden. Dadurch ist das Verfahren auch für Spinensembles von solchen Spins erweiterbar, welche einem optisches oder photoelektrisches Auslesen nicht zugänglich sind. Die Kernidee dieser Weiterbildung ist, das Ensemble von Spin-Qubits beispiels- weise in einen Mikrowellenresonator zu integrieren, wodurch ein Cavity-QED Hyb- ridsystem gebildet ist (Cavity-QED: Cavity Quantum Electrodynamics), bei wel- chem die Anregungsstrahlung in einer reflektiven Kavität des Resonators mit den Spin-Qubits wechselwirkt. Der Spin-Zustand lässt sich darin mit einem Mikrowel- lensignal als Anregungsstrahlung auslesen, das durch den Resonator geschickt wird, wobei zum Beispiel dessen Phasenänderung gemessen wird, die durch die dispersive Wechselwirkung mit den Qubits beeinflusst wird. Bei der Messung der Phase lässt sich generell eine höhere relative Genauigkeit erreichen, als für an- dere elektrische Größen wie etwa Fotostrom. Das Cavity-QED-Auslesen ermöglicht Verbesserungen gegenüber etablierten Techniken. Das Cavity-QED-Auslesen verspricht eine höhere Empfindlichkeit als existierende Verfahren. Potentiell ist das erfindungsgemäße Verfahren hierbei so- gar so empfindlich, dass es lediglich durch das Schrotrauschen der Spins be- grenzt ist. Da der Resonator lediglich mit Teilchen oder Defekten wechselwirkt, (\\fs2012\gsi-software\winpat5\document\amt\3853517.docx) letzte Speicherung: 11. September 2023 FDST Patentanwälte, Nürnberg Seite 13 welche auch einen (Elektronen-)Spin besitzen, ist das Cavity-QED-Auslesen ro- bust gegen Hintergrundströme und Fluoreszenz von Verunreinigungen. Durch den Einsatz eines (Strahlungs-)Resonators ist eine Kompatibilität der ge- samten Sensorikkette ermöglicht. Das Verfahren kann hierbei insbesondere auch in einem metallischen Resonator niedriger Güte umgesetzt werden, welcher gleichzeitig für die Erzeugung von Kontrollpulsen während des Sensorikschritts eingesetzt werden kann. Alle Schritte der Sensorikkette (Initialisierung, Sensorik, Auslesen) können damit in demselben Gerät implementiert werden. Der Strah- lungsresonator wird somit sowohl für die Erzeugung von Anregungspulsen im Sensorikschritt als auch für das Auslesen der Spins genutzt. Die Kopplung der Mikrowellensignale (Anregungsstrahlung) für die Manipulation der Spins und das Auslesen des Resonators kann induktiv erfolgen und variabel einstellbar sein, etwa durch mechanisches Verschieben einer Kopplungsschleife. Durch die Verwendung von metallischen Resonatoren niedriger Güte wird der Ein- satz von Sensoren beliebiger (Mikrometer bis Millimeter) Größe ermöglicht. Das in der WO 2020/046860 A1 offenbarte Verfahren ist auf Sensoren im Millimeterbe- reich beschränkt, welche in einer mehrere Zentimeter großen Abschirmung unter- gebracht sein müssen. In einer zweckmäßigen Weiterbildung wird das Auslesesignal durch eine Trans- missionsmessung der Ausgangsstrahlung aus dem Strahlungsresonator erfasst. Durch eine Transmissionsmessung ist ein vergleichsweise einfacher und bauteil- reduzierter Messaufbau zur Erfassung des Auslesesignals realisierbar. Dies be- deutet, dass der Endzustand des Spinensembles beispielsweise als eine kohären- ten Superposition präpariert wird, und in diesem transienten Zustand ein Trans- missionsspektrum des Resonators gemessen wird. Die Detektion der transmittier- ten Mikrowelle (Ausgangsstrahlung) ist mit hoher Zeitauflösung von bis zu 2 ns (Nanosekunden) möglich, so dass die transiente Amplitudenschwankungen der Ausgangsstrahlung durch stimulierte Emission und Absorption, sowie transiente (\\fs2012\gsi-software\winpat5\document\amt\3853517.docx) letzte Speicherung: 11. September 2023 FDST Patentanwälte, Nürnberg Seite 14 Phasenverschiebungen der Ausgangsstrahlung beispielsweise über eine homo- dyne Detektion erfassbar sind. Bei der Verwendung einer Transmissionsmessung ist es beispielsweise möglich die Seiten oder Spiegel des Strahlungsresonators unterschiedlich auszuführen, so dass beispielsweise die Ausgangsstrahlung lediglich zu einer Seite austreten oder auskoppeln kann. Dadurch wird das Auslesesignal effektiv verstärkt, wodurch die Signalqualität weiter verbessert wird. Ein zusätzlicher oder weiterer Aspekt der Erfindung sieht vor, dass eine Anre- gungsfrequenz verwendet wird, welche gegenüber der Übergangsfrequenz um eine Verstimmung verstimmt ist. Mit anderen Worten wird eine gegenüber der Übergangsfrequenz frequenzverschobene Anregungsfrequenz verwendet. Die (Frequenz-)Verstimmung ist also die Differenzfrequenz zwischen der Anregungs- frequenz der Anregungsstrahlung und der resonanten Übergangsfrequenz zwi- schen den Spinniveaus. Das Spinensemble wird also beispielsweise off-resonant angeregt. Bei einer Verwendung eines Strahlungsresonators als Koppeleinrich- tung ist das Resonanzband des Resonators ausreichend breit, dass er stets die Anregungsfrequenz und die Frequenz des Auslesesignals beziehungsweise der Ausgangsstrahlung umfasst. Hierbei sind im Rahmen der Erfindung im Wesentlichen drei unterschiedliche Aus- führungen für den Ausleseschritt denkbar, welche nachfolgend auch als stimulier- tes Auslesen, als Mollow-Auslesen, und als spindispersives Auslesen bezeichnet sind. In der ersten Ausführung, dem stimulierten Auslesen, wird eine Verstimmung ver- wendet, welche größer als die Rabifrequenz ist, wobei dass das Auslesesignal für die Ausgangsstrahlung bei der Übergangsfrequenz erfasst wird. Hierbei werden die Spins also mit einer Frequenz angeregt, welche um eine Winkelfrequenz ge- gen ihren Übergang verstimmt ist. Diese Verstimmung ist wesentlich größer als die Rabifrequenz, dadurch entspricht die Phase der Ausgangsstrahlung der Phase der Spins. Die Verstimmung ist hierbei mindestens doppelt so groß wie die (\\fs2012\gsi-software\winpat5\document\amt\3853517.docx) letzte Speicherung: 11. September 2023 FDST Patentanwälte, Nürnberg Seite 15 Rabifrequenz, insbesondere fünfmal so groß wie die Rabifrequenz, bevorzugter- weise mindestens zehnmal so groß wie die Rabifrequenz, dimensioniert. Detek- tiert wird hierbei ein Seitenband, das von den Spins auf ihrer Übergangsfrequenz erzeugt wird. Im Zuge des stimulierten Auslesens wird insbesondere die Phase ^0 einer kohä- renten Superposition |0^ + ^ ^{i ^0} |1^ ausgelesen, wobei |0^ und |1^ die Spinzustände der Spinniveaus bezeichnen, e die Eulerzahl und i die imaginäre Einheit ist. Die Superposition wird als Endzustand im Sensorikschritt erzeugt. Die Superposition beziehungsweise der Endzustand kodiert in dessen Populationsinversion (bzgl. des Anfangszustands) oder Phase ein Messergebnis des Sensorikschritts. Zum Auslesen werden die Spins im Ausleseschritt beispielsweise mit einer Mikrowelle angeregt, die um eine Winkelfrequenz gegen die Spinresonanz (Übergangsfre- quenz) verstimmt ist. Durch die Bedingung, dass die Verstimmung (sehr viel) grö- ßer als die Rabifrequenz ist, präzedieren die Spins kontinuierlich, wobei ihre Phase gemäß ^ = ^0 + Δ^ zunimmt, wobei Δ^ die Zeitdauer des Ausleseschritts ist. Dadurch ändert sich die Phasenlage der Spins – und somit die Phasenlage der erzeugten Ausgangsstrahlung - gegenüber der Mikrowelle beziehungsweise Anre- gungsstrahlung. Diese wird je nach Phasenlage durch stimulierte Emission ver- stärkt oder durch Absorption abgeschwächt. Die stimulierte Emission und Absorp- tion alternieren hierbei periodisch mit einer durch die Verstimmung gegebenen Winkelfrequenz. Durch diese Modulation entsteht ein (Mikrowellen-)Seitenband als Ausgangsstrahlung auf der Übergangsfrequenz der Spins. Die Phase der Aus- gangsstrahlung beziehungsweise des Auslesesignals hängt von der Phase der Spins ab. Das Auslesesignal wird nach geeigneter Verstärkung und Filterung auf- gezeichnet und liefert damit ein direktes elektrisches Signal des Spinzustands (Endzustands) des Spinensembles. In der alternativen zweiten Ausführung, dem Mollow-Auslesen, wird eine Verstim- mung kleiner als die Rabifrequenz verwendet, wobei das Auslesesignal für ein Seitenband der Ausgangsstrahlung bei einer um die Rabifrequenz verschobenen Anregungsfrequenz erfasst wird. (\\fs2012\gsi-software\winpat5\document\amt\3853517.docx) letzte Speicherung: 11. September 2023 FDST Patentanwälte, Nürnberg Seite 16 Das Mollow-Auslesen ist konzeptionell mit dem vorstehend erläuterten stimulierten Auslesen verwandt. Im Unterschied dazu wird allerdings mit einer Anregungs- strahlung angeregt, bei welcher die Rabifrequenz deutlich größer als die Verstim- mung ist. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Verstimmung gleich Null, dies bedeutet, dass beim Mollow-Auslesen vorzugsweise mit einer resonanten Mikrowelle (Anregungsstrahlung) auf der Übergangsfrequenz der Spinresonanz angeregt wird. In diesem Fall vollführen die Spins Rabi-Oszillationen, rotieren also mit der Rabifrequenz um die Achse der Anregungsstrahlung, welche im Auslese- schritt zum Auslesen eingekoppelt wird. Auch in diesem Fall wechseln sich Ab- sorption und stimulierte Emission periodisch ab, so dass die eingekoppelte Anre- gungsstrahlung moduliert wird, und im Auslesesignal Seitenbänder entstehen, wo- bei die sogenannten Mollow-Seitenbänder bei Frequenzen ^0 ± Ω erzeugt wer- den, wobei ^0 die Übergangsfrequenz und Ω die Rabifrequenz ist. Die Mollow-Sei- tenbänder entstehen somit bei einer um die Rabifrequenz verschobenen Anre- gungsfrequenz. Die Detektion erfolgt auf einer dieser Frequenzen, also bei einem dieser Mollow-Seitenbänder. Das Mollow-Auslesen ist auch dazu geeignet, Spins in den polarisierten Zustän- den |0^ und |1^ zu messen, in denen ebenso eine Rabirotation auftritt. Mit anderen Worten ist der Endzustand des Sensorikschritts nicht notwendigerweise eine ko- härente Superposition der Spinzustände, sondern kann auch ein in einen der Spinzustände polarisierter Zustand des Spinensembles sein. Das Mollow-Ausle- sen ist somit für beliebige Endzustände einsetzbar. In der alternativen dritten Ausführung, dem spindispersiven Auslesen, wird eine Verstimmung kleiner als die Rabifrequenz verwendet, wobei zur Bestimmung des Endzustands ein Phasenversatz des Auslesesignals zur Anregungsstrahlung aus- gewertet wird. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Verstimmung gleich Null, dies be- deutet, dass beim spindispersiven Auslesen vorzugsweise mit einer resonanten Mikrowelle (Anregungsstrahlung) auf der Übergangsfrequenz der Spinresonanz (\\fs2012\gsi-software\winpat5\document\amt\3853517.docx) letzte Speicherung: 11. September 2023 FDST Patentanwälte, Nürnberg Seite 17 angeregt wird. Das Spinensemble wird als mit einer resonanten Anregungsstrah- lung bestrahlt und der Phasenversatz beim Durchgang durch die Spins gemessen. Bei dem spindispersiven Auslesen wird ein Phasenversatz der eingestrahlten An- regungsstrahlung zur Ausgangsstrahlung gemessen und damit eine projektive Messung in der Basis |+^, |−^ = (|0^ + |1^)/√2, (|0^ - |1^)/√2 realisiert. Diese beiden Zustände generieren einen gegensätzlichen Phasenversatz der Mikrowelle. Das Verfahren ähnelt damit dem gewöhnlichen dispersiven Auslesen, das in supralei- tenden Qubits verwendet wird und auch schon für Festkörperspins etabliert wurde. Es unterscheidet sich allerdings in zwei wesentlichen Punkten, zum einen werden die Spins in einer anderen Basis als |0^, |1^ gemessen, und zum anderen wird der Phasenversatz durch die Spins selber, und nicht durch die Dispersion des Re- sonators erzeugt. Das spindispersive Ausleseverfahren ist damit auch für Resona- toren niedriger Güte, und sogar für Freistrahlverfahren, verwendbar. In einer bevorzugten Ausbildung werden für das Spinensemble Festkörperspins, also Spins welche in einem Festkörper eingebettet sind, verwendet. Sogenannte Spin-Verunreinigungen oder Spin-Defekte in Feststoffen gehören zu den bisher bekanntesten und meist untersuchten Quantensystemen. In einem Cavity-QED-Hybridsystem lassen sich quasi beliebige Spins auslesen, nicht lediglich solche mit spinabhängiger Fluoreszenz. Für den Betrieb als Sensor ist es jedoch wünschenswert, dass die Defekte optisch polarisierbar sind, so dass ein einfach und zeitsparender durchführbarer Initialisierungsschritt durchgeführt werden kann. Vorzugsweise werden also optisch polarisierbare Festkörperspins, wie beispielsweise Elektronenspins von Defekten in Siliziumkarbid oder in Dia- mant verwendet. Insbesondere Farbzentren in Diamanten, wie beispielsweise das negativ geladene Stickstofffehlstellen-Zentrum (engl. nitrogen vacancy center, NV), haben sich als vielseitige, atomgroße Spin-Systeme mit einer Vielzahl von Anwendungen in der Quantenoptik, der Informationsverarbeitung und der Quantensensorik erwiesen. (\\fs2012\gsi-software\winpat5\document\amt\3853517.docx) letzte Speicherung: 11. September 2023 FDST Patentanwälte, Nürnberg Seite 18 Im einfach negativ geladenen Zustand weist ein solches Stickstofffehlstellen- oder NV-Zentrum ein Spin-1 Elektronenspinmoment mit einem Grundzustand mit einer Nullfeldaufspaltung (engl.: zero field splitting, ZFS) von 2.87 GHz (Gigahertz) zwi- schen einem nicht-magnetischen Zustand („0“) und den dazugehörigen magneti- schen Zuständen („+1“, „-1“) auf, sodass eine einfache Manipulation des Elektro- nenspinmoments mittels einer Anregungsstrahlung im Mikrowellenbereich ermög- licht ist. Bei einer Beleuchtung oder Bestrahlung mit einem grünen mit (Laser- )Licht wird das Elektronenspinmoment des NV-Zentrum einerseits im Wesentli- chen vollständig in den nicht-magnetischen Grundzustand („0“) polarisiert. Bevorzugterweise ist das Spinensemble daher durch eine Anzahl von NV- Zentrum-Elektronenspins gebildet, wobei als Spinniveaus insbesondere der nicht- magnetische Grundzustand („0“) und einer der magnetischen Zustände („+1“, „-1“) verwendet wird. Die magnetischen Spinzustände sind beispielsweise durch ein äu- ßeres Magnetfeld aufgrund des Zeeman-Effekts aufgespalten und somit einzeln adressierbar. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist zum Auslesen eines Spinzustands eines Spinensembles vorgesehen sowie dafür geeignet und eingerichtet. Die Spins des Spinensembles weisen zwei aufgespaltene Spinniveaus auf, welche über eine Übergangsfrequenz voneinander getrennt sind, wobei ein Übergang zwischen den Spinniveaus mit einer Rabifrequenz treibbar ist. Die Vorrichtung weist eine Strahlungsquelle zur Erzeugung einer elektromagneti- schen Anregungsstrahlung mit einer vorgegebenen Anregungsfrequenz und/oder Anregungsamplitude auf. Die Strahlungsquelle ist insbesondere ein Frequenzge- nerator zur Erzeugung eines elektrischen Sinussignals. Das elektrische Sinussig- nal wird mittels einer mit der Strahlungsquelle gekoppelten Koppeleinrichtung als Anregungsstrahlung in das Spinensemble eingekoppelt. Das Spinensemble ist hierbei in der Koppeleinrichtung angeordnet. Die Koppeleinrichtung ist beispiels- weise eine Stripline, eine Spule, oder ein (Strahlungs-)Resonator. (\\fs2012\gsi-software\winpat5\document\amt\3853517.docx) letzte Speicherung: 11. September 2023 FDST Patentanwälte, Nürnberg Seite 19 Die Vorrichtung weist weiterhin eine Initialisierungseinheit zur Initialisierung des Spinensembles in einen Anfangszustand auf. Vorzugsweise wird ein Spinensem- ble aus optisch polarisierbaren Festkörperspins, wie beispielsweise NV-Zentrum- Elektronenspins, verwendet, wobei die Initialisierungseinheit beispielsweise durch eine Leuchtdiode, beispielsweise eine grüne Leuchtdiode, realisiert ist. Die Vorrichtung weist ferner eine Ausleseeinheit zur Erfassung eines Ausgangs- strahlung der Kopplungseinheit und zur Erzeugung eines insbesondere elektri- schen Auslesesignals auf. Die Ausleseeinheit ist beispielsweise als ein Oszil- loskop ausgeführt. Die Strahlungsquelle und die Initialisierungseinheit sowie die Ausleseeinheit sind mit einem Controller (das heißt einer Steuereinheit) gekoppelt, welche das Ausle- sesignal hinsichtlich des Endzustands auswertet. Dadurch ist eine besonders ge- eigneten Vorrichtung zum Auslesen eines Spinzustands eines Spinensembles rea- lisiert. Der Controller ist hierbei allgemein – programm- und/oder schaltungstechnisch – zur Durchführung des vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet. Der Controller ist somit konkret dazu eingerichtet, eine zwischen der Anregungsstrahlung und dem Auslesesignal auftretenden Frequenz- und/oder Phasenunterschieds den Endzustand des Spinensembles zu bestimmen. In einer bevorzugten Ausgestaltungsform ist der Controller zumindest im Kern durch einen Mikrocontroller mit einem Prozessor und einem Datenspeicher gebil- det, in dem die Funktionalität zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfah- rens in Form einer Betriebssoftware (Firmware) programmtechnisch implementiert ist, so dass das Verfahren – gegebenenfalls in Interaktion mit einem Vorrichtungs- nutzer – bei Ausführung der Betriebssoftware in dem Mikrocontroller automatisch durchgeführt wird. Der Controller kann im Rahmen der Erfindung alternativ aber auch durch ein nicht-programmierbares elektronisches Bauteil, wie zum Beispiel einem anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC) oder durch einem FPGA (Field Programmable Gate Array), gebildet sein, in dem die Funktionalität (\\fs2012\gsi-software\winpat5\document\amt\3853517.docx) letzte Speicherung: 11. September 2023 FDST Patentanwälte, Nürnberg Seite 20 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit schaltungstechnischen Mitteln implementiert ist. Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen in schematischen und vereinfachten Darstellungen: Fig.1 eine Vorrichtung um Auslesen eines Spinzustands eines Spinensembles, Fig.2 ein Energiediagramm eines Spinsystems für einen Spin des Spinensem- bles, Fig.3 ein Diagramm für ein stimuliertes Auslesen des Spinzustands des Spinen- sembles, Fig.4 ein Diagramm für ein Mollow-Auslesen des Spinzustands des Spinensem- bles, und Fig.5 ein Diagramm für ein spindispersives Auslesen des Spinzustands des Spi- nensembles. Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit den glei- chen Bezugszeichen versehen. In der Fig.1 ist eine Vorrichtung 2 zum Auslesen eines Spinzustands eines Spi- nensembles 4 gezeigt. Die Vorrichtung 2 weist eine Strahlungsquelle 6 zur Erzeugung einer elektromag- netischen Anregungsstrahlung 8 (Fig.2) mit einer vorgegebenen Anregungsfre- quenz ^ und/oder Anregungsamplitude auf. Die Strahlungsquelle 6 ist insbeson- dere ein Frequenzgenerator, beispielsweise ein Mikrowellengenerator, zur Erzeu- gung eines elektrischen Sinussignals 10. Das elektrische Sinussignal 10 wird mittels einer mit der Strahlungsquelle 6 ge- koppelten Koppeleinrichtung 12 als Anregungsstrahlung 8 in das Spinensemble 4 eingekoppelt. Das Spinensemble 4 ist hierbei in der Koppeleinrichtung 12 ange- ordnet. Die Koppeleinrichtung 12 ist hierbei insbesondere ein (Strahlungs-)Re- sonator, beispielsweise ein Loop-Gap-Resonator. Alternativ kann die (\\fs2012\gsi-software\winpat5\document\amt\3853517.docx) letzte Speicherung: 11. September 2023 FDST Patentanwälte, Nürnberg Seite 21 Koppeleinrichtung 12 beispielsweise auch als eine Spule oder Streifenleitung aus- geführt sein. Die Vorrichtung 2 weist weiterhin eine Initialisierungseinheit 14 zur Initialisierung des Spinensembles 4 in einen Anfangszustand auf. Vorzugsweise wird ein Spi- nensemble 4 aus einer Anzahl optisch polarisierbarer Festkörperspins, wie bei- spielsweise NV-Zentrum-Elektronenspins in einem Diamanten, verwendet, wobei die Initialisierungseinheit 14 beispiels-weise durch eine Leuchtdiode, beispiels- weise eine grüne Leuchtdiode, realisiert ist. Die Vorrichtung 2 weist ferner eine Ausleseeinheit 16 zur insbesondere elektri- schen Erfassung einer Ausgangsstrahlung 18 der Kopplungseinheit 12 und zur Er- zeugung eines elektrischen Auslesesignals 20 auf. Die Erfassung der aus der Kopplungseinheit 12 ausgekoppelten Ausgangsstrahlung 18 erfolgt vorzugsweise nach Art einer Transmissionsmessung. Die Ausleseeinheit 16 ist beispielsweise als ein Oszilloskop ausgeführt. Vor dieser Erfassung kann die Ausgangsstrahlung 18 durch einen optionalen Filter 22 auf ge- eignete Weise gefiltert oder verstärkt werden. Auch ist es denkbar, dass die Aus- gangsstrahlung 18 nach Verlassen des der Kopplungseinheit 12 mit anderer Strahlung überlagert oder gemischt wird. Die Strahlungsquelle 6 und die Initialisierungseinheit 14 sowie die Ausleseein- heit 16 sind mit einem Controller 24 gekoppelt, welcher das Auslesesignal 20 hin- sichtlich eines Endzustands 26 (Fig.3) des Spinensembles 4 auswertet. Der Con- troller 24 bestimmt hierbei den Endzustand des Spinensembles 4 anhand eines zwischen der Anregungsstrahlung 8 und dem Auslesesignal 20 beziehungsweise der Ausgangsstrahlung 18 auftretenden Frequenz- und/oder Phasenunterschieds. Mit anderen Worten wird untersucht, inwieweit sich das von dem Spinensemble 4 erzeugte Auslesesignal 20 hinsichtlich dessen (Signal-)Frequenz und/oder (Sig- nal-)Phasenlage von dem mittels der Koppeleinrichtung 12 eingestrahlten Anre- gungsstrahlung 8 unterscheidet. (\\fs2012\gsi-software\winpat5\document\amt\3853517.docx) letzte Speicherung: 11. September 2023 FDST Patentanwälte, Nürnberg Seite 22 Die nicht näher bezeichneten Spins des Spinensembles 4 bilden jeweils ein Spin- system, welches nachfolgend anhand der Fig.2 näher erläutert ist. Die Spins wei- sen jeweils zwei aufgespaltene Spinniveaus 28a, 28b auf, welche über eine Über- gangsfrequenz (Übergangsenergie) ^0 voneinander getrennt sind. Das Spinni- veau 28a ist hierbei ein energetisch niedriges Spinniveau, wobei das Spinniveau 28b ein energetisch höheres Spinniveau ist. Beispielsweise entspricht das Spinni- veau 28a einem Spinzustand |0^ und das Spinniveau 28b einem Spinzustand |1^. Die Spins werden durch die elektromagnetische Anregungsstrahlung 8 angeregt, wobei die Anregungsfrequenz ^ um eine nachfolgend als Verstimmung Δ bezeich- nete Winkelfrequenz gegen die Übergangsfrequenz ^0 verstimmt sein kann. Die Stärke der Anregungsfrequenz ^ ist durch eine Rabifrequenz Ω charakterisiert. Die Rabifrequenz Ω hat einen Vektorcharakter, da durch Verstellen der Anre- gungsphase eine Anregung entlang verschiedener Achsen auf einer Blochkugel realisiert werden kann. Die Phasenlage ist nachfolgend auch als Index der Rabi- frequenz Ω notiert, wobei eine Rabifrequenz Ωx einer Anregung entlang der X- Achse der Blochkugel entspricht, und wobei eine Rabifrequenz Ωy einer Anregung entlang der Y-Achse der Blochkugel entspricht. Die Strahlungsquelle 6 ist dazu vorgesehen und eingerichtet eine Anregungsstrah- lung mit den gewünschten Parametern Ω und Δ zu erzeugen. Bei einer resonanten Anregung ( ^ = ^0) werden (Spin-)Übergänge zwischen den Spinniveaus 28a, 28b mit einer der Rabifrequenz Ω entsprechenden Frequenz oder Rate getrieben. Nachfolgend sind anhand der Figuren 3 bis 5 drei beispielhafte (Auslese-)Verfah- ren zum erfindungsgemäßen Auslesen eines Spinzustands des Spinensembles 4 näher beschrieben. Der Controller 24 ist hierbei allgemein – programm- und/oder schaltungstechnisch – zur Durchführung der nachstehend beschriebenen erfin- dungsgemäßen Verfahren eingerichtet. Die Figuren 3 bis 5 umfassen jeweils vier horizontale, übereinander angeordnete Abschnitte I, II, III, IV. (\\fs2012\gsi-software\winpat5\document\amt\3853517.docx) letzte Speicherung: 11. September 2023 FDST Patentanwälte, Nürnberg Seite 23 In dem Abschnitt I ist jeweils Blockdiagramm für eine Messsequenz zum Messen des Endzustands 26 gezeigt. Horizontal, das bedeutet auf der X- oder Abszissen- achse, ist eine Zeit t aufgetragen. Die Messsequenzen weisen jeweils einen Initialisierungsschritt 30, einen Senso- rikschritt 32, und einen Ausleseschritt 34 auf. In dem Initialisierungsschritt 30 wird ein bekannter Anfangszustand des Spinen- sembles 4 mittels der Initialisierungseinheit 14 erzeugt. Beispielsweise wird das Spinensemble 4 in einen der Spinzustände |0^, |1^ polarisiert. In dem Sensorikschritt 32 entwickelt sich der Anfangszustand zu dem Endzustand 26. Die Entwicklung des Anfangszustands zu dem Endzustand 26 erfolgt vorzugs- weise in Abhängigkeit einer physikalischen Größe, beispielsweise eines Magnet- felds. Der Sensorikschritt 32 weist bevorzugterweise eine Pulssequenz von Anre- gungspulsen auf, mit welchen der Anfangszustand in bestimmter Weise während der Entwicklung manipuliert wird. Als Pulssequenz kann beispielsweise ein Hahn- Echo, eine XY-Sequenz, eine CPMG-Sequenz, oder dergleichen verwendet wer- den. Die Anregungspulse der Pulssequenz sind hierbei resonante Pulse, dies be- deutet, dass die Anregungsfrequenz ^ der gepulsten Anregungsstrahlung 8 gleich der Übergangsfrequenz ^0 ist, wobei die Spins des Spinensembles 4 während der Pulsdauer mit der Rabifrequenz Ω getrieben werden. Im Ausleseschritt 34 wird der Endzustand 26 erfasst oder gemessen. Zum Ausle- sen des Endzustands 26 wird hierzu erfindungsgemäß eine kontinuierliche Anre- gungsstrahlung 8 mit einer gegebenen Anregungsfrequenz ^ und/oder Anre- gungsphase von der Strahlungsquelle 6 in die Koppeleinrichtung 12 eingekoppelt, und somit das Spinensemble 4 angeregt. Das Spinensemble 4 erzeugt hierbei als Folge der Anregung die Ausgangsstrahlung 18. Die in den Figuren 3 bis 5 gezeig- ten Ausleseverfahren unterscheiden sich im Wesentlichen in der Ausführung des Ausleseschritts 34. (\\fs2012\gsi-software\winpat5\document\amt\3853517.docx) letzte Speicherung: 11. September 2023 FDST Patentanwälte, Nürnberg Seite 24 Der Abschnitt II zeigt hierbei in aufeinanderfolgenden schematische Blochkugel- Darstellungen ausschnittsweise die zeitliche Entwicklung des Endzustands 26 während des Ausleseschritts 34. Der Endzustand 26 des Spinensembles 4 ist hierbei ein Vektor der Blochkugel, wobei die Z-Komponente des Vektors Sz ent- lang der Polverbindungslinie und die X- und Y-Komponenten des Vektors Sx, Sy in der Äquatorebene angeordnet sind. Der Endzustand 26 präzediert beispiels- weise mit der Verstimmung Δ um die Polverbindungslinie, wobei der Endzustand 26 mittels der Anregungsstrahlung 8 manipuliert, also gedreht wird. Der Endzu- stand 26 ist in den Blochkugel-Darstellungen lediglich beispielhaft mit Bezugszei- chen versehen. In dem Abschnitt III ist schematisch jeweils ein Verlauf der erzeugten Ausgangs- strahlung 18 beziehungsweise des Auslesesignals 20 als Folge der Manipulation des Endzustands 26 während des Ausleseschritts 34 gezeigt. Horizontal, das be- deutet auf der X- oder Abszissenachse, ist die Zeit t aufgetragen, wobei vertikal, also entlang der Y- oder Ordinatenachse, eine Amplitude der Ausgangsstrahlung 18 oder des Auslesesignals 20 gezeigt ist. Der Abschnitt IV zeigt jeweils ein Balkendiagramm für die Anregungsfrequenz ^ der Anregungsstrahlung 8 und für die Frequenz der detektierten Ausgangsstrah- lung 18. Horizontal, das bedeutet auf der X- oder Abszissenachse, ist eine Fre- quenz f aufgetragen. Die Fig.3 zeigt ein erfindungsgemäßes stimuliertes Auslesen zur Bestimmung des Endzustands 26. Hierbei wird eine Verstimmung Δ verwendet, welche größer als die Rabifrequenz Ω ist, wobei dass das Auslesesignal 20 für die Ausgangsstrah- lung 18 bei der Übergangsfrequenz ^0 erfasst wird. Im Zuge des stimulierten Auslesens wird insbesondere die Phase ^0 einer kohä- renten Superposition |0^ + ^ ^{i^0} |1^ ausgelesen. Die Superposition wird als Endzu- stand 26 im Sensorikschritt 32 erzeugt. Die Superposition beziehungsweise der Endzustand 26 kodiert in dessen Populationsinversion (bzgl. des Anfangszu- stands) oder Phase ein Messergebnis des Sensorikschritts 32. (\\fs2012\gsi-software\winpat5\document\amt\3853517.docx) letzte Speicherung: 11. September 2023 FDST Patentanwälte, Nürnberg Seite 25 Zum Auslesen werden die Spins im Ausleseschritt 34 mit einer Anregungsstrah- lung 8 angeregt, deren Anregungsfrequenz ^ um die Verstimmung Δ gegen die Übergangsfrequenz ^0 verstimmt ist. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel er- folgt hierbei eine kontinuierliche Drehung des Endzustands 26 um mit der Rabifre- quenz Ωy um die Y-Achse der Blochkugel. Aufgrund der Verstimmung Δ, und wel- che (sehr viel) größer als die Rabifrequenz Ω ist, präzedieren die Spins kontinuier- lich, wobei ihre Phase gemäß ^ = ^0 + Δ^ zunimmt, wobei Δ^ die Zeitdauer des Ausleseschritts 34 ist. Dadurch ändert sich die Phasenlage der Spins – und somit die Phasenlage des Endzustands 26 beziehungsweise der erzeugten Ausgangs- strahlung 18 - gegenüber der Anregungsstrahlung 8 während des Ausleseschritts 34. Die Ausgangsstrahlung 18 wird je nach Phasenlage durch stimulierte Emission verstärkt oder durch Absorption abgeschwächt. Die Verstimmung Δ bewirkt eine Präzession des Endzustands 26 um die Z-Achse. Dies resultiert in einer Modulation, bei welcher die stimulierte Emission und Ab- sorption periodisch alternieren. Durch diese Modulation entsteht ein (Frequenz- )Seitenband als Ausgangsstrahlung 18 auf der Übergangsfrequenz ^0 der Spins. Die Phase der Ausgangsstrahlung 18 beziehungsweise des Auslesesignals 20 hängt von der Phase der Spins ab. Das Auslesesignal 20 wird nach geeigneter Verstärkung und Filterung aufgezeichnet und liefert damit ein direktes elektrisches Signal des Endzustands 26 des Spinensembles 4. Das stimulierte Auslesen ermöglicht ein Auslesen der Spins in einem instationären Zustand, also einem Zustand, welcher kein Eigenzustand ihres Hamiltonoperators ist. Die Fig.4 zeigt ein erfindungsgemäßes Mollow-Auslesen, bei welchem eine Ver- stimmung Δ verwendet wird, welche kleiner als die Rabifrequenz Ω dimensioniert ist, wobei das Auslesesignal 20 für ein Seitenband der Ausgangsstrahlung 18 bei einer um die Rabifrequenz Ω verschobenen Anregungsfrequenz ^ erfasst wird. (\\fs2012\gsi-software\winpat5\document\amt\3853517.docx) letzte Speicherung: 11. September 2023 FDST Patentanwälte, Nürnberg Seite 26 Das Mollow-Auslesen der Fig.4 ist konzeptionell mit dem vorstehend erläuterten stimulierten Auslesen der Fig.3 verwandt. Im Unterschied dazu wird allerdings mit einer Anregungsstrahlung 8 angeregt, bei welcher die Rabifrequenz Ω deutlich größer als die Verstimmung Δ ist. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Verstimmung Δ gleich Null, dies bedeutet, dass beim Mollow-Auslesen vorzugs- weise mit einer resonanten Anregungsstrahlung 8 auf der Übergangsfrequenz ^0 der Spinresonanz angeregt wird. Die Anregungsfrequenz ^ ist also gleich der Übergangsfrequenz ^0. In diesem Fall vollführen die Spins Rabi-Oszillationen, ro- tieren also mit der Rabifrequenz Ω um die Achse der Anregungsstrahlung 8, wel- che im Ausleseschritt 34 zum Auslesen eingekoppelt wird. In dem gezeigten Aus- führungsbeispiel wird der Endzustand 26 hierbei kontinuierlich entlang der Y- Achse mit der Rabifrequenz Ωy angeregt. Auch beim Mollow-Auslesen wechseln sich Absorption und stimulierte Emission periodisch ab, so dass die eingekoppelte Anregungsstrahlung 18 moduliert wird, und im Auslesesignal 20 Seitenbänder entstehen, wobei die sogenannten Mollow- Seitenbänder bei Frequenzen ^0 ± Ω beziehungsweise ^ ± Ω erzeugt werden. Die Mollow-Seitenbänder entstehen somit bei einer um die Rabifrequenz Ω verschobe- nen Anregungsfrequenz ^. Die Detektion des Auslesesignals 20 erfolgt auf einer dieser Frequenzen, also bei einem dieser Mollow-Seitenbänder. Das Mollow-Auslesen ist auch dazu geeignet, Spins in den polarisierten Zustän- den |0^ und |1^ zu messen, in denen ebenso eine Rabirotation auftritt. Mit anderen Worten ist der Endzustand 26 des Sensorikschritts 34 nicht notwendigerweise eine kohärente Superposition der Spinzustände, sondern kann auch ein in einen der Spinzustände polarisierter Zustand des Spinensembles 4 sein. Die Fig.5 zeigt ein erfindungsgemäßes spindispersives Auslesen, bei welchem eine Verstimmung Δ kleiner als die Rabifrequenz Ω verwendet wird, wobei zur Be- stimmung des Endzustands 26 ein Phasenversatz δ des Auslesesignals 20 zur Anregungsstrahlung 8 ausgewertet wird. (\\fs2012\gsi-software\winpat5\document\amt\3853517.docx) letzte Speicherung: 11. September 2023 FDST Patentanwälte, Nürnberg Seite 27 In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Verstimmung Δ gleich Null, dies be- deutet, dass mit einer resonanten Anregungsstrahlung 8 auf der Übergangsfre- quenz ^0 der Spinresonanz angeregt wird. Das Spinensemble 4 wird also mit ei- ner resonanten Anregungsstrahlung 8 bestrahlt und der Phasenversatz δ beim Durchgang durch die Spins gemessen. Bei dem spindispersiven Auslesen wird der Phasenversatz δ der eingestrahlten Anregungsstrahlung 8 zur Ausgangsstrahlung 18 gemessen und damit eine pro- jektive Messung in der Basis |+^, |−^ = (|0^ + |1^)/√2, (|0^ - |1^)/√2 realisiert. Diese beiden Zustände generieren einen gegensätzlichen Phasenversatz der Anre- gungsstrahlung 8. Die vorstehend beschriebenen Ausleseverfahren der Fig.3 bis Fig.5 sind insbe- sondere auch für Resonatoren oder Koppeleinrichtungen 12 niedriger Güte, und sogar für Freistrahlverfahren, verwendbar. Die beanspruchte Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausfüh- rungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus im Rahmen der offenbarten Ansprüche abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der beanspruchten Erfindung zu verlassen. Insbe- sondere sind ferner alle im Zusammenhang mit den verschiedenen Ausführungs- beispielen beschriebenen Einzelmerkmale im Rahmen der offenbarten Ansprüche auch auf andere Weise kombinierbar, ohne den Gegenstand der beanspruchten Erfindung zu verlassen. (\\fs2012\gsi-software\winpat5\document\amt\3853517.docx) letzte Speicherung: 11. September 2023 FDST Patentanwälte, Nürnberg Seite 28 Bezugszeichenliste 2 Vorrichtung 4 Spinensemble 6 Strahlungsquelle 8 Anregungsstrahlung 10 Sinussignal 12 Koppeleinrichtung 14 Initialisierungseinheit 16 Ausleseeinheit 18 Ausgangsstrahlung 20 Auslesesignal 22 Filter 24 Controller 26 Endzustand 28a, 28b Spinniveau 30 Initialisierungsschritt 32 Sensorikschritt 34 Ausleseschritt ^ Anregungsfrequenz Δ Verstimmung ^0 Übergangsfrequenz Ω, Ωx, Ωy Rabifrequenz t Zeit f Frequenz δ Phasenversatz (\\fs2012\gsi-software\winpat5\document\amt\3853517.docx) letzte Speicherung: 11. September 2023