Chemiker synthetisieren molekulare Qubits Molekül als Recheneinheit für Quantencomputer

Dreifacher Kupferkern statt Quad-Core-Prozessor – Chemiker der Universität Jena haben eine Kupferverbindung hergestellt, die sich als Recheneinheit in einem Quantencomputer eigen soll. Damit liefern sie einen wichtigen Baustein zur Entwicklung neuer Hochleistungscomputer. Entscheidend für die besonderen Eigenschaften des neuen Moleküls ist die Geometrie der drei enthaltenen Kupferatome.

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Friedrich-Schiller-Universität Jena

Jena – Quantencomputer könnten die Fähigkeiten informationstechnischer Systeme enorm erweitern und somit die Welt verändern. Bis zum ersten tatsächlichen Gerät ist es allerdings noch ein weiter Weg, da vorhandene molekulare Konzepte bisher nicht praktisch umgesetzt werden konnten. Forschende weltweit hält das nicht davon ab, neue Ideen für einzelne Bauteile solcher Quantencomputer zu entwerfen und zu optimieren.

Der Unterschied von Bits und Qubits

Herkömmliche Computer rechnen mit Bits als kleinster Einheit. Ein Bit ist wie ein Schalter, der auf einem von zwei Zuständen stehen kann: „1“ oder „0“. In Computern übernehmen variable elektrische Widerstände die Aufgabe von solchen Schaltern. Für Quantencomputer treten Qubits als Recheneinheiten an die Stelle der Bits.

Im Unterschied zu klassischen Bits, die zu jeder Zeit genau einen der zwei Zustände haben, besitzen Qubits theoretisch unendlich viele Zustände zwischen „1“ und „0“. Erst in dem Moment, in dem man ihren Zustand abfragt, nimmt dieser eindeutig entweder den Wert Eins oder den Wert Null an. Prof. Dr. Winfried Plass von der Universität Jena forscht mit seinem Team daran, solche quantenmechanischen Recheneinheiten in Form von Molekülen praktisch umzusetzen.

Moleküle für den Quantencomputer

„Um ein Molekül als Qubit einsetzen zu können, benötigt es einen ausreichend langlebigen Spinzustand, der von außen manipuliert werden kann“, erklärt Plass. „Der Spinzustand – also der gerichtete Eigendrehimpuls der Elektronen des Moleküls – muss so stabil sein, dass man Informationen eingeben und auslesen kann.“ Plass und sein Team haben nun ein Molekül hergestellt, das genau diese Bedingung erfüllt.

Der Elektronenspin als Qubit

Das folgende Video veranschaulicht, was der Elektronenspin ist. Vor dem Versuch lässt sich nicht sagen, welchen Wert der Elektronenspin besitzt – in der Analogie zum Bit sind theoretisch alle Werte von Null bis Eins möglich. Erst nach dem Versuch ist der Elektronenspin eindeutig bestimmbar und hat in der Bit-Analogie entweder den Wert Null oder den Wert Eins (hier durch die beiden vertikalen Ausrichtungen eines Stabmagneten symbolisiert: einmal Nordpol oben, einmal Südpol oben).

Ein Dreieck aus Kupfer

Bei dem Molekül der Jenaer Forscher handelt es sich um eine so genannte Koordinationsverbindung. Diese enthält organische und metallische Bestandteile. „Das organische Material bildet hierbei ein Gerüst, in dem sich Metallionen auf ganz bestimmte Weise anordnen“, beschreibt Benjamin Kintzel, der federführend an der Herstellung des Moleküls beteiligt war. „In unserem Fall liegt ein dreikerniger Kupferkomplex vor. Das Besondere dabei: Die Kupferionen bilden innerhalb des Moleküls ein exakt gleichseitiges Dreieck.“ Und hier liegt das Geheimnis: Nur dank der besonderen Anordnung der drei Kupferzentren können diese stark genug wechselwirken, um einen ausreichend langlebigen Spinzustand zu erzeugen. Ein Spinzustand, der so stabil ist, dass er das Molekül zu einem von außen adressierbaren Qubit macht, wie der Forscher ausführt.

„Auch wenn wir bereits wussten, wie unser Molekül theoretisch aussehen soll, so ist die Synthese doch eine ziemlich große Herausforderung“, sagt Kintzel. „Gerade die gleichseitige Dreiecksanordnung tatsächlich zu erreichen, gestaltet sich schwierig, da wir das Molekül kristallisieren müssen, um es genau charakterisieren zu können. Und wie sich ein solches Teilchen im Kristall verhält, lässt sich nur schwer vorhersagen.“ Mit verschiedenen chemischen Werkzeugen und unterschiedlichen Feinabstimmungen während des Herstellungsprozesses ist den Forschern die Synthese aber gelungen.

Spinzustand gezielt steuern

Das in Jena hergestellte Molekül bietet laut theoretischen Vorhersagen einen elementaren Vorteil gegenüber anderen Qubits. „Der theoretische Bauplan unserer Kupferverbindung sieht vor, dass sich ihr Spinzustand mit elektrischen Feldern auf molekularer Ebene ansteuern lässt, sagt Plass. „Bisher kommen hier vor allem magnetische Felder zum Einsatz, mit denen man allerdings nicht auf einzelne Moleküle fokussieren kann.“ Eine Forschergruppe im britischen Oxford, die mit den Jenaer Chemikern kooperiert, untersucht diese Eigenschaft des neuen Moleküls derzeit.

Das Chemikerteam der Universität Jena ist davon überzeugt, dass sein Molekül als Qubit eingesetzt werden kann. Ob es aber tatsächlich später als Recheneinheit Verwendung findet, lässt sich nur schwer vorhersagen. Denn wie Moleküle tatsächlich in Quantencomputer integriert werden können, dafür gibt es noch keine Lösung.

Originalpublikation: Benjamin Kintzel et. al.: Molecular electronic spin qubits from a spin-frustrated trinuclear copper complex. Chemical Communications Issue 92, 2018; DOI: 10.1039/c8cc06741d

* S. Hollstein, Friedrich-Schiller-Universität Jena, 07743 Jena

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