Meine Merkliste
my.chemie.de  
Login  

Kupferverbindung als Recheneinheit in Quantencomputern

Chemiker synthetisieren Molekül als mögliches Bauteil für Quantencomputer

12.12.2018

Jan-Peter Kasper/FSU

Der Jenaer Doktorand Benjamin Kintzel betrachtet ein Laborgefäß mit Kristallen eines neuartigen Moleküls, das möglicherweise in einem Quantencomputer Verwendung finden kann.

Quantencomputer könnten die Fähigkeiten informationstechnischer Systeme enorm erweitern und somit die Welt verändern. Bis zum ersten tatsächlichen Gerät ist es allerdings noch ein weiter Weg, da vorhandene molekulare Konzepte bisher nicht in Technologien praktisch umgesetzt werden konnten. Forscher weltweit hält das nicht davon ab, neue Ideen für einzelne Bauteile zu entwerfen und zu optimieren. Chemiker der Friedrich-Schiller-Universität Jena haben jetzt ein Molekül synthetisiert, das die Funktion einer Recheneinheit in einem Quantencomputer übernehmen kann.

Molekül mit ausreichend langlebigem Spinzustand

„Um ein Molekül als Qubit – so nennt man die Recheneinheit eines Quantencomputers – einsetzen zu können, benötigt es einen ausreichend langlebigen Spinzustand, der von außen manipuliert werden kann“, erklärt Prof. Dr. Winfried Plass von der Universität Jena. „Das bedeutet, der gerichtete Eigendrehimpuls der Elektronen des Moleküls, also der Spinzustand, muss so stabil sein, dass man Informationen eingeben und auslesen kann.“ Genau diese Bedingung erfüllt das von Plass und seinem Team hergestellte Molekül.

Es handelt sich dabei um eine sogenannte Koordinationsverbindung und enthält somit organische und metallische Bestandteile. „Das organische Material bildet hierbei ein Gerüst, in dem sich die Metallionen auf ganz bestimmte Weise anordnen“, beschreibt Benjamin Kintzel, der federführend an der Herstellung des Moleküls beteiligt war. „In unserem Fall liegt ein dreikerniger Kupferkomplex vor. Das Besondere dabei: Die Kupferionen bilden innerhalb des Moleküls ein exakt gleichseitiges Dreieck.“ Nur so können die Elektronenspins der drei Kupferzentren so stark miteinander wechselwirken, dass das Molekül einen Spinzustand entwickelt, der es zu einem von außen addressierbaren Qubit macht.

„Auch wenn wir bereits wussten, wie unser Molekül theoretisch aussehen soll, so ist die Synthese doch eine ziemlich große Herausforderung“, sagt Kintzel. „Gerade die gleichseitige Dreiecksanordnung tatsächlich zu erreichen, gestaltet sich schwierig, da wir das Molekül kristallisieren müssen, um es genau charakterisieren zu können. Und wie sich ein solches Teilchen im Kristall verhält, lässt sich nur schwer vorhersagen.“ Mit verschiedenen chemischen Werkzeugen und unterschiedlichen Feinabstimmungen während des Herstellungsprozesses ist es aber gelungen, das gewünschte Resultat hervorzubringen.

Informationen einschreiben durch elektrisches Feld

Das in Jena hergestellte Molekül bietet zudem laut theoretischen Vorhersagen einen weiteren elementaren Vorteil gegenüber anderen Qubits. „Der theoretische Bauplan unserer Kupferverbindung sieht vor, dass sich ihr Spinzustand mit elektrischen Feldern auf molekularer Ebene ansteuern lässt“, sagt Plass. „Bisher kommen hier vor allem magnetische Felder zum Einsatz, mit denen man allerdings nicht auf einzelne Moleküle fokussieren kann.“ Eine Forschergruppe im britischen Oxford, die mit den Jenaer Chemikern kooperiert, untersucht diese Eigenschaft des an der Friedrich-Schiller-Universität synthetisierten Moleküls derzeit durch verschiedene Experimente.

Das Chemikerteam der Universität Jena ist davon überzeugt, dass sein Molekül die Anforderungen erfüllt, um als Qubit eingesetzt zu werden. Ob es aber tatsächlich später als Recheneinheit Verwendung findet, lässt sich nur schwer vorhersagen. Denn wie Moleküle tatsächlich in Quantencomputer integriert werden können, dafür gibt es noch keine ultimative Lösung. Dafür ist auch Expertise im Bereich der Chemie gefragt – die Jenaer Experten jedenfalls sind vorbereitet.

Fakten, Hintergründe, Dossiers
Mehr über Uni Jena
  • News

    Das Geheimnis des Vakuums erstmals nachweisen

    Für die meisten Menschen ist das Vakuum ein leerer Raum. Die Quantenphysik hingegen geht davon aus, dass selbst in diesem Zustand niedrigster Energie noch Teilchen und Anti-Teilchen fluktuieren. Eine Annahme, für die bisher kein eindeutiger Beleg erbracht werden konnte. Um die Prozesse im v ... mehr

    Glasoberflächen kratzfest und bruchsicher

    Glück und Glas, wie leicht bricht das, sagt der Volksmund. Seine sprichwörtliche Zerbrechlichkeit wird Glas dabei gar nicht unbedingt zu Recht zugeschrieben. Denn: Gläser gehören zu den bruchfestesten Materialien, die mit modernen Technologien großtechnisch herstellbar sind. Zumindest in de ... mehr

    Liaison zwischen Schwefel und Kohlenstoff

    Nicht nur für die Erzeugung elektrischer Energie suchen Wissenschaftler nach neuen Wegen – auch für die Speicherung des Stroms müssen Alternativen gefunden werden, um Energie effizient und umweltfreundlich nutzen zu können. Auf der Suche nach der Batterie der Zukunft gilt es dabei vor allem ... mehr

  • Universitäten

    Friedrich-Schiller-Universität Jena

    In Jena ist nichts weit. Man kann im Grünen wohnen und in wenigen Minuten in der City sein – und umgekehrt. Die Grenzen sind fließend – urban wie intellektuell. Denn kurze Wege gibt es in Jena auch im übertragenen Sinne: durch persönliche Kontakte zwischen den Wissenschaftlern untereinander ... mehr

  • q&more Artikel

    Gene auf Zucker

    Der gezielte Transport von DNA und RNA mit Vektoren, meist aus synthetischen Polymeren, in Zellkulturen gehört mittlerweile zum festen Repertoire der biologischen Forschung und Entwicklung, was die Vielzahl an kommerziellen Kits zeigt. Allerdings gestalten sich bisher nicht nur viele Laborv ... mehr

    Sex oder Tod

    Diatomeen sind einzellige Mikroalgen, die aufgrund ihrer filigranen und reich verzierten mineralisierten Zellwand auch als Kieselalgen bezeichnet werden. Trotz ihrer mikroskopisch kleinen Zellen spielen ­diese Algen eine fundamentale ­Rolle für marine Ökosysteme und sind sogar zentrale Akte ... mehr

    Wertgebende Komponenten

    Die Isolierung bioaktiver Pflanzeninhaltsstoffe, ätherischer Öle bzw. pflanzlicher Farb- und Aromastoffe erfordert aufwändige und kostenintensive Verfahren. Oft ist jedoch für verschiedene Anwendungen eine Isolierung der Einzelkomponenten nicht erforderlich, es genügt deren Konzentrierung. ... mehr

  • Autoren

    Prof. Dr. Thomas Heinze

    Thomas Heinze, Jahrgang 1958, studierte Chemie an der FSU Jena, wo er 1985 promovierte und nach dem Postdoc an der Katholischen Universität Leuven (Belgien) 1997 habilitierte. 2001 folgte er dem Ruf auf eine Professur für Makromolekulare Chemie an die Bergische Universität Wuppertal. Seit 2 ... mehr

    Prof. Dr. Dagmar Fischer

    Dagmar Fischer ist approbierte Apothekerin und promovierte 1997 im Fach Pharmazeutische Technologie und Biopharmazie an der Philipps-Universität Marburg. Nach einem Aufenthalt am Texas Tech University Health Sciences Center, USA, sammelte sie mehrere Jahre Erfahrung als Leiterin der Präklin ... mehr

    Prof. Dr. Stefan H. Heinemann

    Stefan H. Heinemann, geb. 1960, studierte Physik an der Universität Göttingen. Nach zweijähriger Forschungszeit an der Yale University, New Haven, USA, promovierte er 1990 am Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie in Göttingen. Nach einem Forschungsaufenthalt an der Standford Unive ... mehr

Ihr Bowser ist nicht aktuell. Microsoft Internet Explorer 6.0 unterstützt einige Funktionen auf Chemie.DE nicht.