Fortschritte im Quanten-Computing

EU-geförderte Forscher haben wichtige Fortschritte gemacht, um das größte Hindernis bei der Realisierung von Quantencomputern zu überwinden: das Phänomen der Dekohärenz.

Digitale Wirtschaft

Auf der Suche nach Quantencomputern, die extrem komplexe Berechnungen über die Verhaltenseigenschaften von Quantenteilchen extrem schnell ausführen können, stellte die so genannte "Dekohärenz" vor große Probleme. Während traditionelle Computer ihre Daten in herkömmlichen "Bits" kodieren, arbeiten Quantencomputer mit Quanten-Bits, kurz Qubits. Im Gegensatz zu herkömmlichen Bits, die entweder 0 oder 1 sind, können Qubits durch ihre Überlagerung beides zugleich sein und ermöglichen damit theoretisch eine echte Parallelverarbeitung mit enormen Rechenleistungen. Leider sind Qubits infolge ihrer Dekohärenz, d. h. zufälligen Veränderungen der Quantenzustände durch Wechselwirkungen mit der Umwelt, schwierig einzusetzen und zu kontrollieren. Für magnetische Moleküle sagt die Theorie drei wesentliche Beiträge zur Dekohärenz voraus: durch Kernspins, intermolekulare Dipol-Wechselwirkungen und Phononen. Um die oben genannten Phänomene in Spin-Qubit-Systemen molekularer Magnete zu studieren, gründeten europäische Forscher das Projekt "Decoherence in magnetic molecules as qubits" (DECMMQUBIT). Das Ziel war, die Dekohärenz besser zu verstehen, zu minimieren und so die Grenzen für Quantencomputer zu überwinden. Im ersten Schritt wählten die Wissenschaftler zwei Moleküle (Polyoxometallate) aus, die sich ohne Kernspin synthetisieren lassen. Da diese Moleküle in theoretischen Studien eine hohe Wahrscheinlichkeit für Einzelmolekül-Magnetismus (SMM) zeigten, waren sie für Spin-Qubits besonders geeignet. Zunächst wurden die SMM synthetisiert und ihr Magnetismus charakterisiert. Im nächsten Schritt wurden reine, magnetisch verdünnte Proben vorbereitet, mit denen gezeigt werden konnte, dass die Anwendung eines transversalen Magnetfeldes den Beitrag dipolarer Wechselwirkungen zur Dekohärenz deutlich verringert. Anschließend wurden Kopplungskonstanten zwischen Phononen (Quanten der Schwingungsenergie) und verschiedenen Arten von Kaliumbromid (KBr), Cyanid (CN) in Zwei-Level-Systemen untersucht, deren Berechnung die experimentellen Messwerte unterstützte. Insgesamt führten die DECMMQUBIT-Projektforscher experimentelle und theoretische Studien zu den drei größten Dekohärenz-Ursachen von Qubits durch. Im weiteren Verlauf sollen die Projektergebnisse das Verständnis magnetischer Moleküle als Quantenobjekte erleichtern, bestehende Grenzen überwinden und zur künftigen Entwicklung von Quantencomputern beitragen.

Decoherence in magnetic molecules as qubits

Fortschritte im Quanten-Computing

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