Stuttgarter Forschergruppe entdeckt molekulares Quantenbit mit langer Kohärenzzeit

Von effizienteren Datenbankabfragen bis zum Knacken von heute noch sicheren Verschlüsselungscodes: Die Entwicklung eines konkurrenzfähigen Quantencomputers würde ein neues digitales Zeitalter einläuten.

Bisher konzentriert sich die Forschung noch auf die Suche nach den Recheneinheiten, den sogenannten Quantenbits (kurz: Qubits). Diese kennen im Gegensatz zu normalen Bits nicht nur die Zustände 0 und 1, sondern auch beliebige Überlagerungen dieser beiden Zustände.

Damit man mit Qubits sinnvoll rechnen kann, müssen diese Überlagerungszustände allerdings eine lange Kohärenzzeit aufweisen, das heißt, von ausreichender Dauer sein.

Die Arbeitsgruppe von Prof. Joris van Slageren vom Institut für Physikalische Chemie der Universität Stuttgart veröffentlichte nun in der Fachzeitschrift Nature Communications Ergebnisse zu einer Koordinationsverbindung mit außergewöhnlich langen Kohärenzzeiten, die zudem über einen sehr großen Temperaturbereich funktioniert.

Bader, K. et al. Room temperature quantum coherence in a potential molecular qubit. Nat. Commun. 5:5304 doi: 10.1038/ncomms6304 (2014).

Für die Implementierung eines Quantenbits wurden bisher verschiedene physikalische Systeme vorgeschlagen. Besonders vielversprechende Beispiele sind dabei Elektronenspins in magnetischen Molekülen. Koordinationsverbindungen, bestehend aus einem Metallion mit organischen Gruppen (Liganden), bieten über einfache chemische Manipulationen nahezu grenzenlosen Spielraum für maßgeschneiderte physikalische Eigenschaften. Bekannt ist durch die Forschungen bereits, dass die Lebensdauer des Überlagerungszustandes (Superposition) durch benachbarte Kernspins erheblich verkürzt wird, da diese ein Störfeld verursachen.

Aufbauend auf diesem Wissen haben die Stuttgarter Physikochemiker eine Verbindung identifiziert, die besonders wenige Kernspins in der direkten Umgebung des Elektronenspins aufweist und somit großes Potential für lange Kohärenzzeiten hat.

Die Verbindung besteht aus einem zentralen Kupferion, eingebettet in einer organischen Hülle mit wenigen kernspintragenden Elementen. Die Ligandenhülle ist zudem sehr steif und flach und die Verbindung bildet im Festkörper besonders stabile, säulenförmige Stapel.

Die Stuttgarter Messungen zeigten, dass diese Design-Kriterien tatsächlich zu außergewöhnlich langen Kohärenzzeiten führen. Bei tiefen Temperaturen um sieben Kelvin konnte eine Lebensdauer von von 68 Mikrosekunden festgestellt werden. Dies übersteigt die bisherigen Werte molekularer Qubits, die im Bereich von wenigen Mikrosekunden lagen, um ein Vielfaches.

Zudem konnte die Kohärenz über einen außergewöhnlich breiten Temperaturbereich festgestellt werden: Während molekulare Qubits bis dato nur bei extremen Minusgraden Kohärenz zeigen, funktioniert das Stuttgarter Design auch bei Zimmertemperatur. Damit rückt die Realisierung von energieeffizienten Quantencomputern mit niedrigen Betriebskosten näher.

Die nächste Hürde auf dem Weg zu einer Anwendung in der Datenverarbeitung ist die strukturierte Abscheidung der Verbindung auf Oberflächen. Mit dieser Frage werden sich die Stuttgarter Forscher im nächsten Schritt befassen.

„Für den Bau eines Quantencomputers gilt es nicht nur, Verbindungen mit langen Kohärenzzeiten zu finden, sondern diese auch selektiv ansprechen zu können“, sagt die Diplom-Chemikerin Katharina Bader. Die Arbeit ist Teil ihrer vom Fonds der Chemischen Industrie geförderten Promotion. Die Messungen wurden in Kooperation mit der Universität Frankfurt durchgeführt und wurden finanziell von der Deutschen Forschungsgemeinschaft und dem Center for Integrated Quantum Science and Technology (Stuttgart/Ulm) unterstützt

Weitere Informationen:
Prof. Joris van Slageren, Universität Stuttgart, Institut für Physikalische Chemie, Tel. 0711/685-64380,
E-Mail: slageren (at) ipc.uni-stuttgart.de
Katharina Bader, Universität Stuttgart, Institut für Physikalische Chemie, Tel. 0711/685-64414,
E-Mail: k.bader (at) ipc.uni-stuttgart.de
Andrea Mayer-Grenu, Universität Stuttgart, Abt. Hochschulkommunikation, Tel. 0711/685-82176,
E-Mail: andrea.mayer-grenu (at) hkom.uni-stuttgart.de