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Molecular Spins for Quantum Technology

Projektbeschreibung

Ein molekularer Ansatz zu Quantentechnologien

Spindefekte in Feststoffen bieten vielversprechende Qubits für die Quanteninformationsverarbeitung und Quantennetzwerke. Doch der Mangel an elementarer Systemhomogenität im Material und die Qubit-Dekohärenz verhindern die Schaffung eines Quantennetzwerks im realen Maßstab. Das durch den Europäischen Forschungsrat finanzierte Projekt MSpin wird diese Herausforderungen angehen, indem das Potenzial von Molekülen ausgeschöpft wird. Die Forschenden werden Methoden entwickeln, um die einzelnen Kernspins in einem einzigen Molekül zu steuern, und molekülbasierte Quantenregister vorführen. Mit Nutzung von Ansätzen aus der organischen Chemie können solche molekularen Register im großen Maßstab erzeugt werden. Das übergeordnete Ziel ist die erstmalige Demonstration eines effizienten molekularen Quantennetzwerkknotens.

Ziel

Defect spins in solids provide a promising platform to realize a range of quantum technologies. Recent advances demonstrated their basic functionalities as quantum network nodes. Yet, the realization of a real-scale quantum network requires solving outstanding challenges posed by the inhomogeneity of elementary systems and decoherence from environmental couplings.

MSpin aims to tackle these challenges employing a bottom-up route. A single molecule sets a compact, nanoscopic stage to house an array of nuclear spins in atomically defined configurations. Accessing and controlling these spins will uncover the tremendous potential of molecules for quantum technology. Moreover, the toolbox of organic chemistry allows producing identical molecules at large scales and fine-tuning their intrinsic and extrinsic environments.

With MSpin, I will push the frontiers of single-molecule spectroscopy, single-spin control, and cavity quantum electrodynamics to fully exploit the potential of molecules for quantum technology. The overarching goals are: i) Detect and control single nuclear spins in a molecule and demonstrate for the first time a molecular quantum register; ii) Achieve robust nuclear quantum memory hosted in a molecule through deterministic switching of hyperfine coupling, and by harnessing the decoherence-free subspace provided by nuclear spin pairs; iii) Realize an efficient molecule-photon interface through strong-coupling to a Fabry-Pérot microcavity and demonstrate the first molecule-photon entanglement.

The success of MSpin will open an exciting new field on controlling and exploiting spin-photon, spin-spin interactions at the sub-molecular scale. The experimental mastery of these interactions developed through this proposal, will not only shine new lights on spins in molecular physics and chemistry, but also foster an intriguing range of applications in quantum communication, computation, and sensors with unprecedented, sub-molecular resolution.

Programm/Programme

Gastgebende Einrichtung

RHEINISCHE FRIEDRICH-WILHELMS-UNIVERSITAT BONN
Netto-EU-Beitrag
€ 1 893 184,00
Adresse
REGINA PACIS WEG 3
53113 Bonn
Deutschland

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Region
Nordrhein-Westfalen Köln Bonn, Kreisfreie Stadt
Aktivitätstyp
Higher or Secondary Education Establishments
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Gesamtkosten
€ 1 893 184,00

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