Licht aus Seltenerdmolekülen

Um Quanten-Rechen­operationen durch­führen zu können, müssen die Über­lagerungs­zustände eines Qubit eine gewisse Zeit lang bestehen. Die Quanten­forschung spricht von „Kohärenz­lebens­dauer“. Kernspins in Molekülen ermöglichen Über­lagerungs­zustände mit langen Kohärenz­lebens­dauern. Denn die Kernspins sind gut von der Umgebung abgeschirmt, sodass sie die Qubits vor störenden äußeren Einflüssen schützen.

„Um praktische Anwendungen zu ermöglichen, müssen wir Quanten­zustände speichern, verarbeiten und verteilen können“, erklärt Mario Ruben vom KIT sowie der Uni Straßburg. „Dazu haben wir ein viel­ver­sprechendes neuartiges Material identi­fi­ziert: ein kern­spin­haltiges Europium-Molekül, das zu den Metallen der Seltenen Erden gehört.“ Das in Zusammen­arbeit von Forschern am KIT, der Uni Straßburg, Chimie ParisTech und der nationalen französischen Forschungs­organisation CNRS untersuchte Molekül ist so aufgebaut, dass es bei Laser­anregung Lumineszenz zeigt, welche die Kernspin­information tragen. Durch gezielte Laser­experimente lässt sich damit eine effektive Licht-Kernspin-Schnitt­stelle schaffen. Die vorliegende Arbeit zeigt die Adres­sierung von Kernspin­niveaus mithilfe von Photonen, die kohärente Speicherung von Photonen sowie die Ausführung erster Quanten­operationen.

Um nützliche Quanten­operationen durch­zu­führen, bedarf es vieler Qubits, die mit­ein­ander quanten­mechanisch verbunden werden. Für diese Verschränkung müssen die Qubits mit­ein­ander wechsel­wirken können. Die Forscher konnten nachweisen, dass sich die Europium-Ionen in den Molekülen über elektrische Streufelder so mit­ein­ander koppeln können, dass künftig Verschränkung und damit Quanten­informations­verarbeitung möglich wird. Da die Moleküle atomgenau aufgebaut sind und sich in exakten Kristallen anordnen, lässt sich eine hohe Qubit-Dichte erreichen.

Ein weiterer für praktische Anwendungen entscheidender Aspekt ist die Adres­sier­barkeit der einzelnen Qubits. Mit optischer Adres­sierung lässt sich die Auslese­geschwin­dig­keit steigern, lassen sich störende elektrische Zuführungen vermeiden, und durch Frequenz­separation lässt sich eine Vielzahl von Molekülen individuell adressieren. Die vorliegende Arbeit erreicht gegenüber früheren Arbeiten eine rund tausend­fach verbesserte optische Kohärenz in einem molekularen Material. Damit lassen sich Kernspin­zustände gezielt optisch mani­pu­lieren.

Licht eignet sich auch dazu, Quanten­information über größere Distanzen zu verteilen, um beispiels­weise Quanten­rechner mit­ein­ander zu verknüpfen oder Informationen abhör­sicher zu über­tragen. Durch Integration des neuartigen Europium-Moleküls in photonische Strukturen zur Verstärkung der Übergänge könnte das in Zukunft möglich sein.

KIT / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  D. Serrano et al.: Ultra-narrow optical linewidths in rare-earth molecular crystals, Nature 603, 241 (2022); DOI: 10.1038/s41586-021-04316-2
• Molekulare Quantenmaterialien (M. Ruben), Institut für Quantenmaterialien und -technologien, Karlsruher Institut für Technologie