Spektroskopisch erfassbare Quantenbits

Moleküle werden für Quanten­computer interessant, wenn sie einzeln ansteuerbare, miteinander wechsel­wirkende Quantenbit-Zentren aufweisen. Das ist der Fall in einem Molekül­modell mit drei unter­schied­lichen Qubit-Zentren, das ein inter­nationales Forschungsteam jetzt vorstellt. Da jedes Zentrum einzeln spektro­skopisch ansteuerbar ist, könnten erstmals bei einem molekularen Mehr-Qubit-System Algorithmen für die Verarbeitung von Quanten­informationen entwickelt werden, so die Wissenschaftler.

Das von Richard Winpenny und Alice Bowen von der University of Manchester geleitete Team hat ein molekulares Modellsystem mit mehreren separaten Qubit-Einheiten geschaffen. „In unserem molekularen System stellen nicht Atome oder Photonen die Basis der Qubit-Zentren dar, sondern ungepaarte Elektronen,“ erklärt Bowen. „Elektronen haben einen Eigen­dreh­impuls, den Spin. Da der Spin zwei über­lagerbare Quanten­zustände einnimmt, eignen sich Moleküle, die mehrere Elektronen­spin­systeme haben können, grund­sätzlich als mögliche Mehr-Qubit-Systeme für Quanten­computer.“

Das von den Forschern analysierte Molekül beherbergt drei solche Spinsysteme: einen Kupfer­ionen­komplex, einen Ring aus sieben Chromatomen und einem Nickelatom sowie eine Stickstoff­oxid­einheit. Für jedes einzelne Qubit-System beobachtete das Team ein charak­te­ris­tisches Resonanz­signal im Elektronen­spin­resonanz­spektrum. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass die einzelnen Qubit-Einheiten unabhängig vonein­ander mithilfe der ESR angesteuert und unter­ein­ander geschaltet werden können. Die Ansteuer­bar­keit ist eine unbedingte Voraus­setzung dafür, dass Mehr-Qubit-Systeme in Quanten­computern zum Einsatz kommen können,“ so Bowen.

Im Vergleich zu bisherigen Systemen könnten molekulare Mehr-Qubit-Systeme einige Vorteile bieten. Denn Qubit-Systeme wurden bislang vor allem aus einzelnen Atomen oder Photonen hergestellt. Solche Systeme sind nur bei extrem tiefen Temperaturen stabil. Dagegen lassen sich molekulare Mehr-Qubit-Systeme nicht nur durch chemische Synthese einfach verändern und anpassen. Sie vertragen auch höhere Temperaturen im Betrieb. Quanten­computer könnten somit billiger werden.

Wiley-VCH / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  C. J. Rogers et al.: Modelling Conformational Flexibility in a Spectrally Addressable Molecular Multi-Qubit Model System, Ang. Ch., online 12. Oktober 2022; DOI: 10.1002/ange.202207947
• EPSRC National Service for Electron Paramagnetic Resonance Spectroscopy, University of Manchester, Großbritannien