Elektroden lesen Quanteninformationen störungsfrei aus

Karlsruhe/Grenoble (Frankreich) – Quantenbits, die kleinsten Recheneinheiten zukünftiger, hoch leistunsfähiger Quantencomputer, sind sehr empfindliche Konstrukte. Um ihren Zustand möglichst störungsfrei auslesen zu können, waren bisher komplexe Wechselwirkungen beispielsweise mit Lichtteilchen nötig. Viel einfacher klappte dieses Auslesen nun mit Elektroden, die Wissenschaftler speziell entwickelt haben. Wie sie in der Zeitschrift „Nature“ berichten, könnte ihre Studie der Entwicklung von extrem leistungsfähigen Quantencomputern und sogenannten spintronischen Modulen neue Impulse geben.

Künsterische Darstellung, in der Mitte steht eine Molekülstruktur, die ein Ion umschließt, das als rote Kugel dargestellt ist. Von der Kugel gehen ein orangefarbener und eine grüner Pfeil aus, die Elektronenspin und Kernspin darstellen. Rechts und links liegen die Goldelektroden, die als Ansammlung gelber Kugeln gezeigt sind. Elektronen springen von einer Elektrode über das Molekül zur anderen Elektrode.
Molekül mit Terbiumion und Goldelektroden

„Wir müssen den quantenmechanischen Zustand einerseits stabil und abgeschirmt halten, aber andererseits irgendwann die Information kontrolliert auslesen, um sie nutzen zu können“, sagt Mario Ruben vom Karlsruher Institut für Technologie. Zusammen mit Forschern aus Grenoble und Straßburg gelang ihm genau dieses Kunststück mit magnetischen Molekülkomplexen. So umhüllten die Forscher ein einzelnes Metallion aus Terbium mit abschirmenden organischen Phthalocyanin-Molekülen aus etwa hundert Kohlenstoff-, Stickstoff- und Wasserstoffatomen. Mit dieser Hülle verbanden sie drei winzige Nanoelektroden aus Gold.

Für die wichtige Messung des Spins des Terbiumatoms setzten sie das gesamte Ensemble zuerst einem sich ändernden Magnetfeld aus. Lag nun an der mittleren der drei Elektroden eine elektrische Spannung an, konnte über eine Strommessung an den anderen beiden Elektroden der Spin des Metallions gemessen werden. Dieser war über einen Zeitraum von bis zu 20 Sekunden stabil, was für quantenmechanische Prozesse eine lange Zeit bedeutet.

„Diese Ergebnisse werden der Spintronik und dem Quantencomputing neue Impulse geben“, sagt Ruben. Denn auf der Grundlage seiner Ergebnisse könnten nun die Zustände von ersten rudimentären Quantencomputern, deren Quantenbits aus Metallionen bestehen, sehr viel eleganter bestimmt werden als bisher.