20 Jahre versucht: Harvard-Team fängt Moleküle für Quantencomputer

Komplexe Moleküle für Quantenberechnungen zu nutzen, galt lange als unmöglich. Nun ist Forschern der Harvard University genau das ge­lun­gen. Dieser Durchbruch könnte die Leistungsfähigkeit von Quan­ten­com­pu­tern erheblich steigern.

Harvard-Forscher: Moleküle als Quanten-Geheimwaffe

Quantencomputer nutzen die besonderen Eigenschaften der Quantenmechanik, um bestimmte Berechnungen viel schneller durchzuführen als herkömmliche Computer. Bisher verwendeten Forscher dafür meist einzelne Atome oder künstliche Schaltkreise. Das Harvard-Team um Professorin Kang-Kuen Ni setzte jetzt erstmals erfolgreich Moleküle ein, die aus zwei verschiedenen Atomen bestehen.

Die Wissenschaftler kühlten Natrium-Cäsium-Moleküle auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt ab und fixierten sie mit Laserstrahlen - einer Art "optischer Pinzette". In diesem Zustand konnten sie die Moleküle als Quantenbits oder "Qubits" verwenden - die Grundbausteine der Quanteninformation. Anders als klassische Bits können Qubits mehrere Zustände gleichzeitig annehmen.


Der technische Kern des Experiments war ein sogenanntes iSWAP-Gatter, ein Quantenschaltkreiselement, das die Zustände zweier Qubits austauscht und eine Phasenverschiebung durchführt, was die Beziehung zwischen den Qubit-Zuständen verändert. Durch präzise Kontrolle der Moleküldrehung gelang es dem Team, einen Zwei-Qubit-Bell-Zustand, bei dem zwei Qubits maximal verschränkt sind, mit 94 Prozent Genauigkeit zu erzeugen. Dabei nutzten sie die elektrischen Dipol-Dipol-Wechselwirkungen zwischen den Molekülen, also die Kräfte zwischen ihren positiven und negativen Ladungen, um Quantenoperationen zu ermöglichen.

20 Jahre versucht

"Als Forschungsfeld versuchen wir dies seit 20 Jahren zu erreichen", erklärte Professorin Ni. "Und endlich ist es uns gelungen." Die Ergebnisse wurden in Nature veröffentlicht. Besonders bemerkenswert ist, dass es dem Team gelang, zwei Molekül-Qubits miteinander zu "verschränken" - ein Quanteneffekt, bei dem die Zustände der Teilchen untrennbar verbunden sind.

Die Nutzung von Molekülen als Qubits eröffnet neue Möglichkeiten für Quantencomputer. Ihre komplexe innere Struktur könnte es erlauben, mehr Informationen in einem einzelnen Qubit zu speichern. Zudem lassen sich Moleküle möglicherweise leichter mit anderen Systemen koppeln. Dies könnte in Zukunft zu leistungsfähigeren und vielseitigeren Quantencomputern führen, mit potenziellen Anwendungen in Bereichen wie Medizin, Materialforschung und Finanzwesen.


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