17.10.2022 - University of Manchester

Spektroskopisch erfassbare Quantenbits

Modell eines molekularen Mehr-Qubit-Systems für Quantencomputer

Moleküle werden für Quantencomputer interessant, wenn sie einzeln ansteuerbare, miteinander wechselwirkende Quantenbit-Zentren aufweisen. Das ist der Fall in einem Molekülmodell mit drei unterschiedlichen Qubit-Zentren, das ein Forschungsteam jetzt in der Zeitschrift Angewandte Chemie vorstellt. Da jedes Zentrum einzeln spektroskopisch ansteuerbar ist, könnten erstmals bei einem molekularen Mehr-Qubit-System Algorithmen für die Verarbeitung von Quanteninformationen (QIP) entwickelt werden, führen die Forschenden weiter aus.

Computer rechnen mit Bits, Quantencomputer mit Quantenbits, den sogenannten Qubits. Während ein Bit lediglich die Information 0 oder 1 darstellt, speichert ein Qubit zwei Zustände gleichzeitig. Durch diese Überlagerung von Zuständen kann ein Quantencomputer mit vielen Qubits parallel und damit viel schneller rechnen. Dazu muss er jedoch die Informationen vieler Qubits auswerten und manipulieren können.

Die Arbeitsgruppen von Richard Winpenny und Alice Bowen von der Universität Manchester und Kolleg:innen haben nun ein molekulares Modellsystem mit mehreren separaten Qubit-Einheiten geschaffen. „In unserem molekularen System stellen nicht Atome oder Photonen die Basis der Qubit-Zentren dar, sondern ungepaarte Elektronen,“ erklärt Bowen. „Elektronen haben einen Eigendrehimpuls, den Spin. Da der Spin zwei überlagerbare Quantenzustände einnimmt, eignen sich Moleküle, die mehrere Elektronenspinsysteme haben können, grundsätzlich als mögliche Mehr-Qubit-Systeme für Quantencomputer.“

Das von Winpenny und Bowen analysierte Molekül beherbergt drei solche Spinsysteme: einen Kupferionenkomplex, einen Ring aus sieben Chromatomen und einem Nickelatom sowie eine Stickstoffoxideinheit. Für jedes einzelne Qubit-System beobachtete das Team ein charakteristisches Resonanzsignal im Elektronenspinresonanzspektrum (ESR). „Unsere Ergebnisse zeigen, dass die einzelnen Qubit-Einheiten unabhängig voneinander mithilfe der ESR angesteuert und untereinander geschaltet werden können. Die Ansteuerbarkeit ist eine unbedingte Voraussetzung dafür, dass Mehr-Qubit-Systeme in Quantencomputern zum Einsatz kommen können,“ erläutert Bowen.

Im Vergleich zu den bisherigen Systemen könnten molekulare Mehr-Qubit-Systeme einige Vorteile bieten. Denn Qubit-Systeme wurden bislang vor allem aus einzelnen Atomen oder Photonen (Lichtquanten) hergestellt. Diese Systeme sind nur bei extrem tiefen Temperaturen stabil. Dagegen lassen sich molekulare Mehr-Qubit-Systeme nicht nur durch chemische Synthese einfach verändern und anpassen. Sie vertragen auch höhere Temperaturen im Betrieb. Quantencomputer könnten somit billiger werden.

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