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

Bild: Jan-Peter Kasper / FSU

Moleküle als Bauteil Chemische Qubits für Quantencomputer

14.12.2018

Quantencomputer könnten die Fähigkeiten von IT-Systemen enorm erweitern. Chemiker der Friedrich-Schiller-Universität Jena (FSU) haben nun ein Molekül synthetisiert, das die Funktion einer Recheneinheit in einem Quantencomputer übernehmen könnte.

„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 bedeute, der gerichtete Eigendrehimpuls der Elektronen des Moleküls (der Spinzustand) müsse so stabil sein, dass Informationen eingegeben und ausgelesen werden können. Genau diese Bedingung soll das von Plass und seinem Team hergestellte Molekül erfüllen.

„Eine ziemlich große Herausforderung“

Bei besagtem Molekül handelt sich um eine sogenannte Koordinationsverbindung. Es enthält somit metallische und organische 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 sei, dass die Kupferionen innerhalb des Moleküls ein exakt gleichseitiges Dreieck bilden. Nur so können die Elektronenspins der drei Kupferzentren so stark miteinander wechselwirken, dass das Molekül einen Spinzustand entwickelt, der es zu einem von außen adressierbaren 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 zu erreichen gestalte sich schwierig, da das Molekül kristallisiert werden müsse, um es genau charakterisieren zu können. „Und wie sich ein solches Teilchen im Kristall verhält, lässt sich nur schwer vorhersagen“, so Kintzel. Mit verschiedenen chemischen Werkzeugen und unterschiedlichen Feinabstimmungen während des Herstellungsprozesses ist es aber gelungen, das gewünschte Resultat hervorzubringen.

Steuerung 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“, beschreibt 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 FSU synthetisierten Moleküls derzeit durch verschiedene Experimente.

Das Team aus Jena ist davon überzeugt, dass sein Molekül die Anforderungen erfüllt, um als Qubit eingesetzt zu werden. Ob es später aber tatsächlich als Recheneinheit Verwendung findet, lässt sich nur schwer vorhersagen. Denn für die Integration von Molekülen in Quantencomputer gibt es noch keine ultimative Lösung.

Bildergalerie

  • Doktorand Benjamin Kintzel (links) und Prof. Dr. Winfried Plass diskutieren über das von ihnen entwickelte Molekül.

    Bild: Jan-Peter Kasper / FSU

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