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Der Quantencomputer als molekularer Schöpfer Besonderheit des Quantencomputers erschafft ein bisher unbekanntes Molekül

Quelle: Pressemitteilung IBM 5 min Lesedauer

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Eine Studie von IBM und Universitätsforschende zeigen, wie Quantencomputer unmittelbar zum Verständnis von komplexem molekularem Verhalten beitragen können; denn eine in der Wissenschaftpublikation „Science“ veröffentlichte Entdeckung markiert die Erschaffung und Beobachtung des ersten Moleküls mit einerelektronischen Halb-Möbius-Topologie.

Das Bild zeigt ein so genanntes Dyson-Orbital für Elektronenanlagerung, berechnet mit Quantenhardware.(Bild: IBM und the University of Manchester.)
Das Bild zeigt ein so genanntes Dyson-Orbital für Elektronenanlagerung, berechnet mit Quantenhardware.
(Bild: IBM und the University of Manchester.)

Ein internationales Team, das aus Wissenschaftler:innen von IBM, der Universität Manchester, der Universität Oxford, der ETH Zürich, der EPFL und der Universität Regensburg besteht, hat ein Molekül erschaffen und charakterisiert, das sich von allen bisher bekannten unterscheidet: Die Elektronen bewegen sich durch seine Struktur in einem korkenzieherähnlichen Muster, so dass es dadurch sein chemisches Verhalten grundlegend verändern kann. Wie heute in der vergangenen Woche veröffentlicht, handelt es sich dabei um die erste experimentelle Beobachtung einer elektronischen Halb-Möbius-Topologie in einem einzelnen Molekül.

Nach Ermessen der Wissenschaftle:innen wurde ein Molekül mit einer derartigen Topologie noch nie zuvor synthetisiert, beobachtet oder gar formal prognostiziert. Um das Verhalten dieses Moleküls auf der Ebene der elektronischen Struktur verstehen zu können, war etwas ebenso Fundamentales erforderlich: Eine hochpräzise Quantencomputing-Simulation.

Igor Rončević, Dozent für Computer- und Theoretische Chemie an der Universität Manchester, sagt:

„Chemie und Festkörperphysik entwickeln sich durch die Erkundung neuer Methoden zur Steuerung von Materie weiter. In der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts waren Substituenteneffekte sehr populär. So untersuchten Forscher beispielsweise, wie sich die Wirksamkeit eines Medikaments oder die Elastizität eines Materials verändert, wenn man zum Beispiel eine Methylgruppe durch Chlor ersetzt.

Mit der Jahrhundertwende hielt die Spintronik Einzug und führte den Elektronenspin als neuen Freiheitsgrad ein, der die Datenspeicherung revolutionierte. Heutzutage zeigt unsere Arbeit auf, dass auch die Topologie als schaltbarer Freiheitsgrad dienen kann und damit einen neuen, machtvollen Weg zur Steuerung von Materialeigenschaften eröffnet.

Die alles andere als triviale Topologie dieses Moleküls und das ungewöhnliche Verhalten vieler anderer Systeme entstehen durch Wechselwirkungen zwischen ihren Elektronen. Die Simulation von Elektronen mit klassischen Computern ist hochgradig komplex – vor einem Jahrzehnt konnte man genau 16 Elektronen modellieren, heute sind es bis zu 18. Quantencomputer eignen sich von Natur aus gut für dieses Problem, da ihre Bausteine – Qubits – Quantenobjekte sind, die Elektronen widerspiegeln.

Mit dem Quantencomputer von IBM konnten wir 32 Elektronen sondieren. Das Spannendste daran ist jedoch, dass wir uns noch ganz am Anfang befinden. Quantenhardware entwickelt sich rasant weiter und die Zukunft gehört Quantum.“

Diese Entdeckung bringt die Wissenschaft in zweierlei Hinsicht voran: Im Bereich der Chemie führt sie vor Augen, dass die elekronische Topologie, das heißt, die Eigenschaft, die bestimmt, wie sich Elektronen durch ein Molekül bewegen, nicht nur in der Natur gefunden werden kann, sondern gezielt gesteuert werden kann. Im Bereich Quantencomputing bedeutet es eine konkrete Demonstration einer Quantensimulation, die das ausführt, wofür sie entwickelt wurde: eine direkte Darstellung des quantenmechanischen Verhaltens auf molekularer Ebene, um wissenschaftliche Erkenntnisse zu liefern, die sonst unerreichbar geblieben wären.

Ein niemals zuvor gesehenes Molekül

Alessandro Curioni, IBM Fellow, Vice President, Europe and Africa, and Director of IBM Research Zurich, erläutert: „Zuerst haben wir ein Molekül konzipiert, von dem wir annahmen, dass es hergestellt werden könnte. Dann haben wir es erschaffen und anschließend seine Besonderheiten mit einem Quantencomputer validiert.“

Er fährt fort: „Dies ist ein großer Schritt zur Umsetzung des Traums, den der renommierte Physiker Richard Feynman schon vor Jahrzehnten formulierte: einen Computer zu bauen, der die Quantenphysik bestmöglich simulieren kann, und ein Beleg für, wie er sagte: ‚There’s plenty of room at the bottom’. Der Erfolg dieser Forschung stellt einen Schritt in Richtung dieser Vision dar und eröffnet neue Möglichkeiten zur Erforschung unserer Welt und der in ihr enthaltenen Materie.“

Das Molekül mit der Formel C₁₃Cl₂ wurde bei IBM Atom für Atom aus einem an der Universität Oxford speziell dafür synthetisierten Vorprodukt aufgebaut. Dabei wurden einzelne Atome nacheinander unter Verwendung präzise kalibrierter Spannungspulse unter Ultrahochvakuum bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt entfernt.

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Ich freue mich sehr, Teil eines Projekts zu sein, bei dem Quantenhardware echte Wissenschaft betreibt, nicht nur Demos. Es ist faszinierend, dass ein winziges Molekül eine so komplexe elektronische Struktur haben kann, die klassisch schwer zu simulieren ist und so verdreht und seltsam ist, dass es einen fast um den Verstand bringt.

Jascha Repp, Mitautor des Artikels und Professor für Physik an der Universität Regensburg

Experimente mit Rastertunnelmikroskopie und Rasterkraftmikroskopie, beides Techniken, die bei IBM entwickelt wurden, enthüllten in Kombination mit Quantencomputern eine elektronische Konfiguration, die in der Chemie bislang unbekannt war: eine elektronische Struktur, die sich mit jedem Umlauf um 90 Grad dreht und vier vollständige Umläufe benötigt, um zur Ausgangsphase zurückzukehren.

Diese elektronische Halb-Möbius-Topologie unterscheidet sich qualitativ von allen bisher bekannten Molekülen und kann reversibel zwischen im Uhrzeigersinn gedrehten, gegen den Uhrzeigersinn gedrehten und in unverdrehten Zuständen umgeschaltet werden – seinerseits ein Beweis dafür, dass elektronische Topologie keine Eigenschaft ist, die es zu entdecken gilt, sondern vielmehr eine, die jetzt unter bestimmten Bedingungen gezielt erzeugt werden kann.

Bahnbrechend: Quantenzentriertes Supercomputing

Die Wissenschaftler:innen haben im Rahmen dieses Experiments ein Molekül erschaffen, das es zuvor noch nie gegeben hatte. Nun mussten sie herausfinden, warum es funktionierte – eine Aufgabe, die konventionelle Computer vor große Herausforderungen stellte. Die Elektronen in C₁₃Cl₂ interagieren auf stark verschränkte Weise – jedes Elektron beeinflusst gleichzeitig alle anderen. Die Modellierung dieses Verhaltens erfordert die simultane Aufzeichnung aller möglichen Konfigurationen dieser Interaktionen, was einen exponentiell wachsenden Rechenaufwand zur Folge hat, der klassische Maschinen rasch überfordern kann.

Quantencomputer sind von Natur aus anders, da sie nach denselben quantenmechanischen Gesetzen funktionieren, die auch für Elektronen in Molekülen gelten. Sie können diese Systeme direkt darstellen, anstatt sie nur näherungsweise zu berechnen. Sie „sprechen“ quasi dieselbe grundlegende Sprache wie die Materie, zu deren Untersuchung sie entwickelt wurden. Dieser Unterschied, der in der Vergangenheit weitgehend theoretischer Natur war, kann nun zu konkreten wissenschaftlichen Ergebnissen beitragen.

Diese Fähigkeit bietet enormes Potenzial für Quantencomputer, um reale Experimente mit quantenzentrierten Supercomputing-Workflows zu unterstützen. Durch die Integration von Quantenprozessoren (QPUs), CPUs und GPUs ermöglicht quantenzentriertes Supercomputing, komplexe Probleme in Teile zu zerlegen, die nach den Stärken jedes Systems orchestriert und gelöst werden – was kein einzelnes Rechenparadigma allein leisten kann.

In einem solchen Workflow fand das Team mit Hilfe eines IBM Quantencomputers spiralförmige Molekülorbitale für die Elektronenanlagerung, ein Fingerabdruck der elektronischen Halb-Möbius-Topologie. Darüber hinaus hat die Simulation mittels Quantencomputing dabei geholfen, den Mechanismus hinter der Entstehung der ungewöhnlichen Topologie offenzulegen: einen helikalen Pseudo-Jahn-Teller-Effekt.

Diese Errungenschaft baut auf der langjährigen Tradition von IBM in der Nanowissenschaft auf. Das Rastertunnelmikroskop (STM) wurde 1981 bei IBM erfunden, wofür die IBM-Wissenschaftler Gerd Binnig und Heinrich Rohrer 1986 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet wurden. Diese Erfindung ermöglichte es Forschern, Oberflächen Atom für Atom abzubilden. Im Jahr 1989 entwickelten Wissenschaftler von IBM die erste verlässliche Methode zur Manipulation einzelner Atome. In den vergangenen Jahrzehnten hat das Team von IBM diese Techniken ausgebaut, um zunehmend ungewöhnlichere molekulare Strukturen zu erstellen und zu kontrollieren.

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