Molekularer Quantencomputer: Basler Forscher schlagen Rezept vor

Damit eröffnen sich neue Möglichkeiten für die Realisierung eines Quantencomputers – ein solcher könnte in Zukunft Rechenleistungen bereitstellen, die um ein Vielfaches höher liegen als heutige, konventionelle Computer-Architekturen. Ermöglicht wird dies durch das Verwenden von so genannten Quantenbits (Qubits) anstelle von klassischen Bits, also den Zuständen 0 und 1.

Der in der aktuellen Ausgabe der renommierten Fachzeitschrift „Nature Nanotechnology“ veröffentlichte Vorschlag vereint die Vorteile der molekularen Elektronik mit den in den letzten Jahren äusserst erfolgreichen Ansätzen der festkörperbasierten Quanteninformationsverarbeitung. Erstere bestehen in einer extremen Miniaturisierung bis hinunter auf das Niveau einzelner Moleküle.

Mittels der chemischen Bottom-up-Methode – das heisst der durch chemische Reaktionen gesteuerten Selbstorganisation – lassen sich komplexe Schaltkreise aufbauen. Auf der anderen Seite haben die Fortschritte beim Bau eines festkörperbasierten Quantencomputers gezeigt, dass eine elektrische Steuerung von Quantenalgorithmen im Rahmen eines physikalischen Top-down-Zugangs sehr effizient möglich ist. Wie eine Kombination beider Zugänge das Realisieren eines elementaren Rechenschritts für einen Quantencomputer ermöglichen sollte, haben nun erstmals Jörg Lehmann und Daniel Loss (Universität Basel) sowie Alejandro Gaita-Arino und Eugenio Coronado (Universität Valencia) beschrieben.

Der entscheidende Trick besteht dabei in der Verwendung eines Moleküls – eines so genannten Polyoxometallats -, das neben zwei Elektronen, deren Spin als physikalische Realisierung der Qubits dient, eine weitere Einheit enthält. Diese ändert beim Laden und Entladen mit einem Zusatzelektron die Stärke der Kopplung zwischen den beiden Spin-Qubits. Indem man das Molekül zum Beispiel mit einer metallischen Spitze eines Rastertunnel-Mikroskops kontaktiert und die angelegte Spannung ändert, lässt sich dieser Ladevorgang von aussen steuern. Eine Simulation eines solchen Prozesses hat ergeben, dass sich auf diese Weise eine sehr hohe Genauigkeit der Rechenoperation erreichen lässt. Ein wesentlicher Vorteil der chemischen Bottom-up-Methode ist, dass es kein Problem ist, identische Moleküle herzustellen – ganz im Gegensatz zu der in der Halbleiterphysik benutzten Top-down-Methode. Damit bieten sich neue Alternativen auf dem noch langen Weg zur Realisierung eines Quantencomputers.

Das Swiss Nanoscience Institute (SNI) geht aus dem Nationalen Forschungsschwerpunkt (NFS) Nanowissenschaften hervor und bildet einen universitären Forschungsschwerpunkt an der Universität Basel. Im SNI wird grundlagenwissenschaftliche mit anwendungsorientierter Forschung verknüpft. Innerhalb verschiedener Projekte beschäftigen sich die Forschenden mit Strukturen im Nanometerbereich. Sie möchten Impulse für Lebenswissenschaften, Nachhaltigkeit, Informations- und Kommunikationstechnologie geben. Die Universität Basel fungiert als Leading House und koordiniert das NFS-Netzwerk aus Hochschul- und Forschungsinstituten und Industriepartnern, das vom Schweizerischen Nationalfonds im Auftrag des Bundes durchgeführt wird, sowie das vom Kanton Aargau finanzierte Argovia-Netzwerk. Mit Gründung des SNI sichert sich die Universität Basel ihre international anerkannte Stellung als Exzellenzzentrum für Nanowissenschaften.

Weitere Auskünfte
Prof. Dr. Daniel Loss, Tel. 061 267 37 49, E-Mail: Daniel.Loss@unibas.ch
Dr. Jörg Lehmann, Tel. 061 267 37 31, E-Mail: Joerg.Lehmann@unibas.ch
Originalbeitrag
Jörg Lehmann, Alejandro Gaita-Ariño, Eugenio Coronado (Valencia), Daniel Loss
Spin qubits with electrically gated polyoxometalate molecules
Nature Nanotechnology 2, 312 – 317 (2007)
Published online: 3 May 2007; doi:10.1038/nnano.2007.110