PSI-Forscher nähern sich Quantencomputer

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Forscher des Paul-Scherrer-Instituts und ihre indische Kollegen haben Quanten-Eigenschaften magnetischer Moleküle geschaltet. Sie erreichen eine wichtige Voraussetzung für die Entwicklung von Quantencomputern, indem sie die Zustände einzelner Quantenobjekte gezielt verändern können.

Quantencomputer-Forscher am PSI

Die PSI-Forscher Jan Nowakowski und Christian Wäckerlin in der Halle der Synchrotron Lichtquelle Schweiz. Nowakowski hält einen „Vakuum-Koffer“, in dem die Proben für die Untersuchung zur SLS transportiert werden, Wäckerlin das Modell eines der verwendeten Moleküle. (PSI/Markus Fischer)

Forscher des Paul Scherrer Instituts (PSI) und des «Indian Institute of Science Education and Research» in Pune (Indien) haben eine regelmässige Anordnung winziger Magnete in einer Ebene hergestellt. Sie konnten darin gezielt in jedem zweiten den Magnetismus abschalten und so seinen Quantenzustand manipulieren. Sie entwarfen ein Schachbrett im Nanomassstab, dessen Felder abwechselnd verschiedene magnetische Eigenschaften hatten: magnetisch und unmagnetisch. 

Die Forscher haben mit flachen, etwa 1 Nanometer grossen, organischen Molekülen gearbeitet, in deren Mitte sich jeweils ein einzelnes magnetisches Metallatom befand: Eisen oder Mangan. Dieses machte das Molekül zu einem winzigen Magneten, der wesentlich kleiner ist als ein magnetisches Bit in einer Computerfestplatte, das aus mehr als einer Million magnetischer Atome besteht. Damit der magnetische Zustand in den Molekülen stabil blieb, wurden sie auf eine magnetische Kobaltoberfläche aufgedampft. Die Kobalt-Oberfläche zwang den Molekülen eine bestimmte Magnetisierungsrichtung auf.

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Da die Moleküle jeweils nur ein magnetisches Atom besitzen, sind sie so klein, dass sie den Gesetzen der Quantenphysik unterworfen sind. Das Verständnis solcher Quantenobjekte und deren Manipulation sind Voraussetzung für die Entwicklung von Quantencomputern, die manche Berechnungen wesentlich schneller durchführen könnten als heutige Geräte.

Das magnetische Nanoschachbrett baut sich von selbst

Nanoschachbrett PSI

Die schematische Darstellung zeigt, wie der Magnetismus (rote Pfeile) sich selektiv auf der Hälfte des Nanoschachbretts schalten lässt. (pd)

«Bisher wurden die magnetischen Atome höchst aufwändig Atom für Atom angeordnet. Wir haben die magnetischen Atome in Moleküle eingebaut und diese Moleküle so konstruiert, dass sie sich auf der Oberfläche von selbst abwechselnd so anordnen, dass ein Schachbrettmuster entsteht. Das magnetische Nanoschachbrett kann sich also von selbst zusammenbauen», erläutert Christian Wäckerlin, Doktorand am PSI.

«Als wir die Moleküle dann Ammoniakgas aussetzten, verband sich mit jedem der Metallatome ein Ammoniak-Molekül. Dadurch wurde das mit Ammoniak verbundene Eisenatom unmagnetisch; der Magnetismus des Mangans veränderte sich nur unwesentlich. Somit wurde bei jedem zweiten der Moleküle im Nanoschachbrett der Quantenzustand von „magnetisch“ in „unmagnetisch“ umgewandelt. Mit einem Rastertunnelmikroskop lässt sich das Nanoschachbrett abbilden und die magnetischen Eigenschaften lassen sich mit dem Licht der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS des PSI studieren. Erwärmt man das ganze System etwas, lösen sich die Ammoniakmoleküle wieder und der ursprüngliche Zustand ist wieder hergestellt», beschreibt Wäckerlin die Abläufe. Damit ist es natürlich noch ein sehr weiter Weg zu einem tatsächlichen Quantencomputer, insbesondere fehlt die ebenfalls wichtige Kopplung und Verschränkung der Quantenzustände. «Wir haben aber vorgeführt, wie man in einem einfachen, hochgradig geordneten System die Eigenschaften von sehr vielen Atomen reproduzierbar schalten kann.»

(Marco Rohner)

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