Neue Wege für Quantentechnologien: Optische Kontrolle von Kernspins in Molekülen
Molekulare Systeme lassen sich chemisch maßschneidern und könnten so atomar präzise Qubits ermöglichen
Ein Forschungsteam am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) hat einen wichtigen Fortschritt in der Quantenphysik und in der Materialforschung erzielt: Erstmals konnten Kernspins in einem molekularen Material optisch initialisiert, kontrolliert und ausgelesen werden. Kernspins gelten aufgrund ihrer geringen Wechselwirkung mit der Umgebung als besonders stabile Träger von Quanteninformation. Die Ergebnisse zeigen, dass molekulare Kernspins ein vielversprechender Baustein für zukünftige Quantentechnologien sein können. Veröffentlichung in Nature Materials.
Die Kernspinresonanz (NMR, Nuclear Magnetic Resonance) ist eine etablierte Analysemethode, um Materialien und Moleküle zu untersuchen. Sie reicht von der chemischen Analyse bis hin zur Quanteninformationsverarbeitung. In einer aktuellen Studie untersuchten Forschende des KIT einen Molekülkristall, der Europium-Ionen enthält. Diese Ionen besitzen besonders schmale optische Übergänge, die einen direkten Zugang zu den Kernspinzuständen ermöglichen. Mithilfe von Laserlicht konnten sie die Kernspins zunächst in definierte Zustände überführen und diese anschließend optisch auslesen.
Neben der optischen Adressierung setzten die Forschenden Hochfrequenzfelder ein, um die Spins zu kontrollieren und vor störenden Einflüssen der Umgebung zu schützen. Dabei erreichten sie eine Kernspin-Quantenkohärenz mit einer Lebensdauer von bis zu zwei Millisekunden, einem Zeitintervall, in der ein Quantensystem einen genau definierten quantenmechanischen Zustand beibehält.
Kernspins als stabile Träger von Quanteninformation
„Die Ergebnisse zeigen, dass molekulare Materialien eine vielversprechende Plattform für zukünftige Quantenbauelemente sein können“, sagt Professor David Hunger vom Physikalischen Institut des KIT. „Besonders vorteilhaft ist, dass wir die Kernspins hier ohne störende Elektronenspins adressieren können. Dadurch lassen sich künftig besonders stabile und dicht gepackte Qubit-Register realisieren.“
Die untersuchten Molekülkristalle haben Forschende am Institut für QuantenMaterialien und Technologien und am Institut für Nanotechnologie des KIT in der Forschungsgruppe von Professor Mario Ruben synthetisiert und umfassend hinsichtlich ihrer Eignung als Quantenplattform charakterisiert.
Maßgeschneiderte Moleküle für atomar präzise Qubits
Langfristig eröffnen optisch adressierbare Kernspins in Molekülen neue Perspektiven für die Entwicklung skalierbarer Quantencomputer. Molekulare Systeme lassen sich chemisch maßschneidern und könnten so atomar präzise Qubits ermöglichen. Mit der optisch detektierten Kernspinresonanz (ODNMR) sind zudem neue hochauflösende NMR-Methoden realisierbar, die in Zukunft die detaillierte Untersuchung komplexer Materialien ermöglichen.
Die Forschungsergebnisse unterstreichen damit das große Potenzial molekularer Systeme für zukünftige Quantentechnologien und liefern einen wichtigen Schritt hin zu optisch vernetzbaren Quantenverarbeitungssystemen.
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