Kupferverbindung als mögliche Basis für Quantencomputer

Bild: B. Kintzel et al., Chem. Commun. 2018 (54) 12934–12937 [CC BY 3.0]

Eine Forschungsgruppe aus Jena hat eine Verbindung hergestellt, die in einem Quantencomputer als Recheneinheit dienen könnte. Durch seine besondere Geometrie kann das Molekül zwei bestimmte Quantenzustände einnehmen. Diese Zustände können mit elektrischen Feldern gesteuert werden.

System aus drei Elektronen-Spins

Die Verbindung, die das Team um Professor Winfried Plass an der Universität Jena entwickelt und untersucht hat, enthält drei identische Kupfer-(II)-Ionen (Cu2+). Diese sind in einem gleichseitigen Dreieck angeordnet. In jedem dieser drei Ionen befindet sich ein Elektron, das sich nach außen wie ein kleiner Magnet verhält. Denn weil Elektronen elektrisch geladen sind und einen Drehimpuls haben, einen sogenannten Spin, erzeugen sie auch ein Magnetfeld.

Ein 3D-Modell der Verbindung hat ein Mitglied der Gruppe auf YouTube zur Verfügung gestellt:

Weil die drei Kupfer-Ionen sehr nah beieinander sind, richten sich die Spins der drei Elektronen aneinander aus, ganz ähnlich wie kleine Magnete das tun. In dieser speziellen Anordnung gibt es dafür exakt zwei Möglichkeiten. Diese beiden möglichen Zustände entsprechen in etwa der 1 und der 0 (also den Bits) bei digitalen Computern. Wegen der magnetischen Eigenschaften der Spins lassen sie sich außerdem durch elektrische Felder von außen steuern.

Eins und Null gleichzeitig

Der Unterschied zu einem konventionellen Computer ist aber, dass dass Molekül beide Zustände gleichzeitig einnehmen kann. Denn Elektronen-Spins sind quantenmechanische Zustände. Sie folgen nicht der klassischen Physik, sondern den Regeln der Quantenmechanik. Deshalb nennt man diese Systeme auch Quanten-Bits oder Qubits. Mit einem Quantencomputer sind daher auch ganz andere Rechenoperationen möglich, als es bislang die digitalen Computer erlauben.

Auch bei einem Qubit gibt es zwei Zustände. Da es sich aber Quantenzustände sind, können sie sich überlagern. Bild: Clemens Adolphs [CC BY-SA 3.0] / Wikimedia Commons
An Quanten-Rechnern wird seit Jahren fieberhaft geforscht. Erste Quantencomputer gibt es zwar schon – sie enthalten aber nur wenige Qubits. Ein Problem in der Entwicklung der neuen Supercomputer ist auch, dass die bisher verfügbaren Quantenzustände sehr kurzlebig sind.

Die neue Verbindung aus Jena löst dieses Problem: Wie die Gruppe in der Fachzeitschrift Chemical Communications berichtet,[1]B. Kintzel et al., „Molecular electronic spin qubits from a spin-frustrated trinuclear copper complex“, Chemical Communications 2018 (54) 12934–12937. DOI: 10.1039/C8CC06741D geht die gespeicherte Information erst nach etwa 600 Nanosekunden verloren. In der kurzlebigen Welt der Quanten ist das genug Zeit, um Informationen einzugeben und wieder auszulesen.

Quellen   [ + ]

1. B. Kintzel et al., „Molecular electronic spin qubits from a spin-frustrated trinuclear copper complex“, Chemical Communications 2018 (54) 12934–12937. DOI: 10.1039/C8CC06741D

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