Forscher entdecken Quantenbit mit langer Kohärenzzeit bei Zimmertemperatur

29. Oktober 2014, 12:15
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Realisierung von energieeffizienten Quantencomputern mit niedrigen Betriebskosten rückt näher

Zahlreiche Projekte arbeiten an dem Computer der Zukunft: Experten sind überzeugt, dass die Entwicklung eines konkurrenzfähigen Quantencomputers ein neues digitales Zeitalter einläuten könnte. 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.

Nun hat eine Gruppe von Wissenschaftern Joris van Slageren vom Institut für Physikalische Chemie der Universität Stuttgart eine Koordinationsverbindung mit außergewöhnlich langen Kohärenzzeiten entdeckt, die zudem über einen sehr großen Temperaturbereich funktioniert.

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.

Potential für lange Kohärenzzeiten

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.

Langlebige Qubits bei Zimmertemperatur

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", meint die an dem Projekt beteiligte Chemikerin Katharina Bader. (red, derStandard.at, 29.10.2014)

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