Molekulare Nanomagnete Molekulare Nanomagnete als Bausteine für Quantencomputer

Wissenschaftler haben zeigen können, dass molekulare Nanomagnete für Sekundenbruchteile im Gleichschritt laufen können. Die als Quantenkohärenz bezeichnete Eigenschaft könnte die Basis für einen Quantencomputer liefern.

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Universität Stuttgart

Stuttgart – Eine der größten Herausforderungen beim Bau eines Quantencomputers ist das Material, aus dem die Bits gemacht werden. Die quantenmechanischen Zustände, die während des Rechenvorgangs verwendet werden, müssen stabil sein bis die Berechnung abgeschlossen ist. Sonst geht die Information verloren. Diese stabilen Zustände können beispielsweise mithilfe von Elektronen realisiert werden. Ein Computer kann jedoch nicht aus einzelnen Elektronen bestehen. Andererseits sind in realen Materialien die Quanteneigenschaften nur sehr schwer zu beobachten.

Forscher vom 1. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart haben jetzt Einzelmolekülmagnete eingesetzt, um die Basis für einen Quantencomputer zu schaffen. Jedes Molekül besitzt für sich bereits magnetische Eigenschaften. Diese erhält es durch magnetische Ionen, die an festen Plätzen im Molekül sitzen. Die Elektronen der einzelnen Ionen stehen untereinander in Wechselwirkung, wodurch sich bei niedrigen Temperaturen ein Zustand mit einem stabilen Spin einstellt. Für ihre Experimente verwendeten die Physiker ein neues Molekül mit vier Eisen-Ionen. Ihr stabiler Spin ist nach Angaben der Forscher zehnmal größer als der eines Elektrons und kann verschiedene Zustände mit unterschiedlicher Energie einnehmen.

Spins im Gleichschritt

Die Moleküle wurden mit extrem kurzen Mikrowellenpulsen beschossen. Wie bei einem Schuss in den Bergen ist ein Echo zu hören, aus dessen Stärke man darauf schließen kann, wie sich die Spins in der Zwischenzeit verhalten haben. Bei diesen Versuchen wurde deutlich, dass die Spins in den Molekülen für Sekundenbruchteile im Gleichschritt laufen. Diese als Kohärenz bezeichnete Eigenschaft ist vergleichbar mit dem Verhalten des Laserlichts, das diesem seine besonderen Eigenschaften verleiht. Zusätzlich wurden Rabi-Oszillationen gemessen: Die Spins der Moleküle wurden gleichzeitig um bestimmte Winkel gedreht. Es war möglich, mehrere vollständige Rotationen durchzuführen, was man bislang für unmöglich hielt. Bevor ein wirklicher Quantencomputer mit molekularen Magneten gebaut werden kann, müssen laut Angaben der Forscher allerdings noch weitere Hürden genommen werden. Zuerst müssen die Moleküle auf einer Oberfläche angeordnet werden. Dann müssen sie einzeln adressiert, programmiert und ausgelesen werden. Prinzipiell ist dies möglich, bisher benötigt man aber noch eine große Anzahl von Molekülen, um das Mikrowellenecho registrieren zu können.

Originalveröffentlichung: Schlegel, C. et al.: Direct observation of quantum coherence in single-molecule magnets, Physical Review Letters, vol. 101, no. 147203 (3rd October 2008)

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