Dem bisher Spukhaften auf der Spur Die Erzeugung von stabilen Qubit-Quintetten bei Raumtemperatur

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Forscher in Japan können erstmals die Quantenkohärenz eines Quintett-Zustands mit vier Elektronenspins in molekularen Systemen bei Raumtemperatur beobachten.

In einer Studie, die in „Science Advances“ veröffentlicht wurde, berichtet eine Forschergruppe unter der Leitung von Associate Professor Nobuhiro Yanai (siehe: Kasten) von der Fakultät für Ingenieurwissenschaften der Kyushu-Universität dass sie Quantenkohärenz bei Raumtemperatur erreicht haben. Dabei geht es um die Fähigkeit eines Quantensystems, einen wohldefinierten Zustand über einen längeren Zeitraum aufrechtzuerhalten, ohne durch Störungen in der Umgebung beeinflusst zu werden. Beteiligt waren auch Associate Professor Kiyoshi Miyata von der Kyushu-Universität und Professor Yasuhiro Kobori von der Kobe-Universität.

Der Durchbruch sei ermöglicht worden durch die Einbettung eines Chromophors, eines Farbstoffmoleküls, das Licht absorbiert und Farbe abgibt, in ein metallorganisches Gerüst oder MOF, einem nanoporösen kristallinen Material, das aus Metallionen und organischen Liganden besteht.

Die Forscher erläutern, dass ihre Ergebnisse ein entscheidender Fortschritt für Quantencomputer und Sensortechnologien sei. Während das Quantencomputing als nächster großer Fortschritt in der Computertechnologie gilt, ist die Quantensensorik eine Sensortechnologie, die die quantenmechanischen Eigenschaften von Qubits (Quantenanaloga von Bits in der klassischen Computertechnik, die in einer Überlagerung von 0 und 1 existieren können) nutzt.

Zur Realisierung von Qubits können verschiedene Systeme eingesetzt werden. Ein Ansatz ist die Nutzung des intrinsischen Spins - einer Quanteneigenschaft, die mit dem magnetischen Moment eines Teilchens zusammenhängt - eines Elektrons. Elektronen haben zwei Spin-Zustände: Spin up und Spin down. Auf Spin basierende Qubits können in einer Kombination dieser Zustände existieren und verschränkt werden, so dass der Zustand eines Qubits von einem anderen abgeleitet werden kann.

Durch die Ausnutzung der extremen Empfindlichkeit eines verschränkten Quantenzustands gegenüber Umgebungsrauschen soll die Quantensensortechnologie im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren eine höhere Auflösung und Empfindlichkeit ermöglichen. Bisher war es jedoch eine Herausforderung, vier Elektronen zu verschränken und sie dazu zu bringen, auf externe Moleküle zu reagieren, d. h. Quantensensorik mit Hilfe eines nanoporösen MOF zu betreiben.

Insbesondere können Chromophore verwendet werden, um Elektronen mit gewünschten Elektronenspins bei Raumtemperatur durch einen Prozess namens Singulett-Spaltung anzuregen. Bei Raumtemperatur verliert jedoch die in Qubits gespeicherte Quanteninformation ihre Quantensuperposition und Verschränkung. Daher ist es in der Regel nur möglich, Quantenkohärenz bei Temperaturen auf dem Niveau von flüssigem Stickstoff zu erreichen.

Die Zusammensetzung des MOF

Um die Molekularbewegung zu unterdrücken und Quantenkohärenz bei Raumtemperatur zu erreichen, haben die Forscher ein Chromophor auf der Basis von Pentacen (polyzyklischer aromatischer Kohlenwasserstoff, der aus fünf linear verschmolzenen Benzolringen besteht) in ein MOF vom Typ UiO eingebracht.

Yanai erläutert: „Das MOF in dieser Arbeit ist ein einzigartiges System, das Chromophore dicht ansammeln kann. Außerdem ermöglichen die Nanoporen im Inneren des Kristalls die Rotation des Chromophors, allerdings in einem sehr begrenzten Winkel." Die MOF-Struktur ermögliche genügend Bewegung in den Pentacen-Einheiten, damit die Elektronen vom Triplett-Zustand in einen Quintett-Zustand übergehen konnten, während sie gleichzeitig die Bewegung bei Raumtemperatur ausreichend unterdrückte, um die Quantenkohärenz des Quintett-Multiexziton-Zustands zu erhalten.

Nach der Photo-Anregung der Elektronen mit Mikrowellenpulsen konnten die Forscher die Quantenkohärenz des Zustands über 100 Nanosekunden lang bei Raumtemperatur beobachten. „Dies ist die erste Quantenkohärenz von verschränkten Quintetten bei Raumtemperatur", drückt Kobori den Erfolg aus.

Obwohl die Kohärenz nur für Nanosekunden beobachtet wurde, können die Ergebnisse den Weg für die Entwicklung von Materialien für die Erzeugung von Mehrfach-Qubits bei Raumtemperatur ebnen. So äußert Yanai: „Durch die Suche nach Gastmolekülen, die mehr solcher unterdrückten Bewegungen hervorrufen können, und durch die Entwicklung geeigneter MOF-Strukturen wird es in Zukunft möglich sein, Quintett-Multi-Exzitonen-Zustands-Qubits effizienter zu erzeugen.“ Dies könne die Türen zum molekularen Quantencomputing bei Raumtemperatur öffnen, das auf der Kontrolle von Mehrfach-Quantengattern und der Quantensensorik für verschiedene Zielverbindungen basiert.

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