Quantenbit funktioniert bei Raumtemperatur

Bisher konzentriert sich die Entwicklung eines konkurrenzfähigen Quantencomputers noch auf die Suche nach den Recheneinheiten, den sogenannten Quantenbits. Sie nehmen im Gegensatz zu normalen Bits nicht nur die Zustände Null und Eins, sondern auch beliebige Überlagerungen dieser beiden Zustände ein. Damit man mit Qubits sinnvoll rechnen kann, müssen diese Überlagerungszustände allerdings eine lange Kohärenzzeit aufweisen, das heißt, von ausreichender Dauer sein. Wissenschaftler um Katharina Bader von der Universität Stuttgart stellen in der Fachzeitschrift „Nature Communications“ nun Quantenbits aus einer metallorganischen Verbindung mit Kohärenzzeiten von einigen Hundert Millionstel Sekunden vor, die zudem über einen sehr großen Temperaturbereich funktionieren.

Qubit und Zerfallskurven

Besonders vielversprechende Kandidaten für die Implementierung eines Quantenbits sind Elektronenspins in magnetischen Molekülen. Je nach Ausrichtung seines Spins in einem Magnetfeld nimmt ein Elektron zwei unterschiedliche Energiezustände ein. Diese lassen sich überlagern. Die Lebensdauer eines Überlagerungszustandes wird durch die Wechselwirkung mit dem Magnetfeld benachbarter Kernspins erheblich verkürzt. Dadurch ginge die gespeicherte Information verloren.

Bader und ihr Team identifizierten eine Verbindung, die besonders wenige Kernspins in der direkten Umgebung des Elektronenspins aufweist und somit großes Potenzial für lange Kohärenzzeiten hat. Die Verbindung besteht aus einem zentralen Kupferion, eingebettet in einer organischen Hülle mit wenigen kernspintragenden Elementen. Bei tiefen Temperaturen um sieben Grad über dem absoluten Nullpunkt war ein präparierter Überlagerungszustand 68 Millionstel Sekunden stabil, wie Messungen zeigten. Dies übersteigt die bisherigen Werte molekularer Qubits, die im Bereich von wenigen Millionstel Sekunden lagen. Zudem erstreckte sich die Temperaturspanne, in der Kohärenz unterhalb des Mikrosekundenbereichs vorlag, bis hinauf zu Zimmertemperatur.

Die nächste Aufgabe auf dem Weg zu einer Anwendung in der Datenverarbeitung ist die strukturierte Abscheidung der Verbindung auf Oberflächen. „Für den Bau eines Quantencomputers gilt es nicht nur, Verbindungen mit langen Kohärenzzeiten zu finden, sondern diese auch selektiv ansprechen zu können“, sagt Bader.