Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Nanomagnete im Gleichschritt - Moleküle als Bausteine für Quantencomputer?

09.10.2008
Die Quantentheorie hat vor hundert Jahren die Physik revolutioniert; nun soll sie Einzug in unsere Computer halten. Ihre Möglichkeiten reichen weit über die klassische Physik hinaus und führten zur Entwicklung neuartiger Rechenmethoden.

Mit diesen Algorithmen ist es möglich, spezielle Probleme anzupacken, die mit klassischen Computern unlösbar sind. An der Verwirklichung eines solchen Quantencomputers wird auf den verschiedensten Wegen weltweit intensiv gearbeitet. Ein viel versprechender Ansatz verwendet als kleinste Bauteilchen molekulare Nanomagnete. Wissenschaftlern vom 1. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart ist es nun zum ersten Mal gelungen, an Molekülen mit großem Spin (einer Art Kreisel) nachzuweisen, dass die Moleküle für Sekundenbruchteile im Gleichschritt laufen*). Diese als Quantenkohärenz bezeichnete Eigenschaft könnte der Startschuss sein, um den Quantencomputer schnell zu realisieren.


Struktur des verwendeten Moleküls mit der Spinrichtung der vier Eisenatome. Durch einen Mikrowellenpuls werden die Spins um bestimmte Winkel gekippt. Quelle: 1. Physikalisches Institut, Universität Stuttgart

Eine der größten Herausforderungen beim Bau eines Quantencomputers ist das Material, aus dem die Bits gemacht werden. Denn die quantenmechanischen Zustände, die während des Rechenvorgangs verwendet werden, müssen lange genug stabil sein. Sonst geht die Information verloren, bevor die Berechnung abgeschlossen ist - wie bei einem Rechenbrett aus Eiswürfeln, die unter den Fingern schmelzen. Solche stabilen Zustände können beispielsweise mit Hilfe von Elektronen realisiert werden, denn diese kleinen Teilchen besitzen die quantenmechanische Eigenschaft des 'Spins'. Ein wirklicher Computer kann jedoch nicht aus einzelnen Elektronen bestehen. Andererseits sind in realen Materialien die Quanteneigenschaften nur sehr schwer zu beobachten.

Das von der Stuttgarter Forschergruppe verwendete Material ist ein so genannter Einzelmolekülmagnet. Das Einzigartige an diesen komplexen, aber trotzdem kleinen und reproduzierbar herstellbaren Teilchen besteht darin, dass jedes Molekül für sich bereits magnetische Eigenschaften besitzt. Diese erhält es durch magnetische Ionen, welche an festen Plätzen im Molekül sitzen. Die Elektronen der einzelnen Ionen stehen untereinander in Wechselwirkung; wodurch sich bei niedrigen Temperaturen ein Zustand mit einem stabilen Spin einstellt. Für ihre Experimente verwendeten die Physiker ein neuartiges Molekül mit vier Eisenionen. Ihr stabiler Spin ist zehnmal größer als der eines Elektrons und kann verschiedene Zustände mit unterschiedlicher Energie einnehmen.

Die Moleküle wurden mit extrem kurzen Mikrowellenpulsen beschossen. Wie bei einem Gewehrschuss in den Bergen ist dabei ein Echo zu hören, aus dessen Stärke man darauf schließen kann, wie sich die Spins in der Zwischenzeit verhalten haben. Bei diesen Versuchen wurde deutlich, dass die Spins in den Molekülen für Sekundenbruchteile im Gleichschritt laufen. Diese als Kohärenz bezeichnete Eigenschaft ist vergleichbar mit dem Verhalten des Laserlichts, das diesem seine besonderen Eigenschaften verleiht. Zusätzlich wurden sogenannte Rabi-Oszillationen gemessen: Anschaulich gesprochen wurden die Spins der Moleküle dabei gleichzeitig um bestimmte Winkel gedreht. Es war sogar möglich, mehrere vollständige Rotationen durchzuführen, was man bislang für unmöglich hielt.

Bevor ein wirklicher Quantencomputer mit molekularen Magneten gebaut werden kann, müssen allerdings noch weitere Hürden genommen werden. Zuerst müssen die Moleküle auf einer Oberfläche angeordnet werden. Dann müssen sie einzeln adressiert, programmiert und ausgelesen werden. Prinzipiell ist dies möglich, bisher benötigt man aber noch eine große Anzahl von Molekülen, um das Mikrowellenecho 'hören' zu können.

*) Veröffentlichung: Christoph Schlegel, Joris van Slageren, Maria Manoli, Euan
K. Brechin und Martin Dressel: Direct observation of quantum coherence in single-molecule magnets, Physical Review Letters, vol. 101, no. 147203 (3rd October 2008)
Weitere Informationen bei Prof. Dr. Martin Dressel und PD Dr. Joris van Slageren, 1. Physikalisches Institut, Tel. 0711/685-64947, e-mail:

dressel@pi1.physik.uni-stuttgart.de, slageren@pi1.physik.uni-stuttgart.de

Ursula Zitzler | idw
Weitere Informationen:
http://www.uni-stuttgart.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Spin-Strom aus Wärme: Neues Material für höhere Effizienz
20.11.2017 | Universität Bielefeld

nachricht cw-Wert wie ein Lkw: FH Aachen testet Weihnachtsbaum im Windkanal
20.11.2017 | FH Aachen

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Transparente Beschichtung für Alltagsanwendungen

Sport- und Outdoorbekleidung, die Wasser und Schmutz abweist, oder Windschutzscheiben, an denen kein Wasser kondensiert – viele alltägliche Produkte können von stark wasserabweisenden Beschichtungen profitieren. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben Forscher um Dr. Bastian E. Rapp einen Werkstoff für solche Beschichtungen entwickelt, der sowohl transparent als auch abriebfest ist: „Fluoropor“, einen fluorierten Polymerschaum mit durchgehender Nano-/Mikrostruktur. Sie stellen ihn in Nature Scientific Reports vor. (DOI: 10.1038/s41598-017-15287-8)

In der Natur ist das Phänomen vor allem bei Lotuspflanzen bekannt: Wassertropfen perlen von der Blattoberfläche einfach ab. Diesen Lotuseffekt ahmen...

Im Focus: Ultrakalte chemische Prozesse: Physikern gelingt beispiellose Vermessung auf Quantenniveau

Wissenschaftler um den Ulmer Physikprofessor Johannes Hecker Denschlag haben chemische Prozesse mit einer beispiellosen Auflösung auf Quantenniveau vermessen. Bei ihrer wissenschaftlichen Arbeit kombinierten die Forscher Theorie und Experiment und können so erstmals die Produktzustandsverteilung über alle Quantenzustände hinweg - unmittelbar nach der Molekülbildung - nachvollziehen. Die Forscher haben ihre Erkenntnisse in der renommierten Fachzeitschrift "Science" publiziert. Durch die Ergebnisse wird ein tieferes Verständnis zunehmend komplexer chemischer Reaktionen möglich, das zukünftig genutzt werden kann, um Reaktionsprozesse auf Quantenniveau zu steuern.

Einer deutsch-amerikanischen Forschergruppe ist es gelungen, chemische Prozesse mit einer nie dagewesenen Auflösung auf Quantenniveau zu vermessen. Dadurch...

Im Focus: Leoniden 2017: Sternschnuppen im Anflug?

Gemeinsame Pressemitteilung der Vereinigung der Sternfreunde und des Hauses der Astronomie in Heidelberg

Die Sternschnuppen der Leoniden sind in diesem Jahr gut zu beobachten, da kein Mondlicht stört. Experten sagen für die Nächte vom 16. auf den 17. und vom 17....

Im Focus: «Kosmische Schlange» lässt die Struktur von fernen Galaxien erkennen

Die Entstehung von Sternen in fernen Galaxien ist noch weitgehend unerforscht. Astronomen der Universität Genf konnten nun erstmals ein sechs Milliarden Lichtjahre entferntes Sternensystem genauer beobachten – und damit frühere Simulationen der Universität Zürich stützen. Ein spezieller Effekt ermöglicht mehrfach reflektierte Bilder, die sich wie eine Schlange durch den Kosmos ziehen.

Heute wissen Astronomen ziemlich genau, wie sich Sterne in der jüngsten kosmischen Vergangenheit gebildet haben. Aber gelten diese Gesetzmässigkeiten auch für...

Im Focus: A “cosmic snake” reveals the structure of remote galaxies

The formation of stars in distant galaxies is still largely unexplored. For the first time, astron-omers at the University of Geneva have now been able to closely observe a star system six billion light-years away. In doing so, they are confirming earlier simulations made by the University of Zurich. One special effect is made possible by the multiple reflections of images that run through the cosmos like a snake.

Today, astronomers have a pretty accurate idea of how stars were formed in the recent cosmic past. But do these laws also apply to older galaxies? For around a...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

500 Kommunikatoren zu Gast in Braunschweig

20.11.2017 | Veranstaltungen

VDI-Expertenforum „Gefährdungsanalyse Trinkwasser"

20.11.2017 | Veranstaltungen

Technologievorsprung durch Textiltechnik

17.11.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Künstliche neuronale Netze: 5-Achs-Fräsbearbeitung lernt, sich selbst zu optimieren

20.11.2017 | Informationstechnologie

Tonmineral bewässert Erdmantel von innen

20.11.2017 | Geowissenschaften

Hemmung von microRNA-29 schützt vor Herzfibrosen

20.11.2017 | Biowissenschaften Chemie