Elektrisch manipulierte Kernspins Mit Qubits zum Quantencomputer

Erstmals ist es Wissenschaftlern gelungen, einen einzelnen Kernspin rein elektrisch zu manipulieren. Dadurch eröffnen sich neue Möglichkeiten, einen Quantencomputer zu realisieren.

Auf dem Weg zu einem Quantencomputer haben Wissenschaftler des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) in Zusammenarbeit mit Forschern aus Frankreich einen wichtigen Durchbruch erzielt. Ein solcher Computer, der auf quantenmechanischen Prinzipien basiert, verfügt im Gegensatz zum klassischen Computer über eine höhere Leistung, da er auch Werte zwischen Null und Eins als kleinste Recheneinheit annimmt. Diese Werte werden Quantenbits, kurz Qubits, genannt.

Kernspins für Qubits

Kernspins, also die Eigendrehimpulse von Atomkernen, eignen sich unter anderem für Qubits. Sie richten sich relativ zu einem Magnetfeld nach oben oder unten. Durch die Verschränkung diverser Qubits entstehen gemischte Quantenzustände, sodass mehrere Rechenschritte nebeneinander durchführbar sind.

Kernspin-Qubit-Transistor

Um neuartige Informationsprozesse anzusteuern, ist es unumgänglich, kernspinbasierte Qubits in elektronische Schaltungen zu integrieren. Dazu müssen diese jedoch elektrisch manipuliert werden. Den Wissenschaftlern aus Deutschland und Frankreich gelang das nun mithilfe eines sogenannten Kernspin-Qubit-Transistors.

Brücke zwischen Elektroden und Kernspin

Ein Kernspin-Qubit-Transistor setzt sich aus einem Einzelmolekül-Magneten zusammen, welcher mit drei Elektroden verbunden ist. Der Magnet besteht aus einem TbPc2-Molekül – ein einzelnes Metallion aus Terbium. Dieses ist ummantelt von organischen Phthalocyanin-Molekülen aus Kohlenstoff-, Stickstoff- und Wasserstoffatomen, wobei die organischen Liganden eine leitende Brücke zwischen Elektroden einerseits und dem Kernspin andererseits aufspannen.

Übertragbar auf alle Kernspinsysteme

Durch den Hyperfein-Stark-Effekt wird das elektrische Feld in ein lokales magnetisches Feld umgewandelt. Dieser Prozess ist übertragbar auf alle Kernspinsysteme. Dadurch werden neue Möglichkeiten erschlossen, Quanteneffekte in elektronische Schaltkreise zu integrieren, um dadurch die elektrische Manipulation des Kernspins hervorzurufen.

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