Quantensprung beim Quantencomputer?

Der Spin von Elektronen lässt sich in geeigneten Molekülen elektrisch gezielt beeinflussen. Dies hat jetzt ein internationales Wissenschaftlerteam gezeigt. Damit eröffnen sich neue Möglichkeiten für die Realisierung eines Quantencomputers.

Ein solcher könnte in Zukunft Rechenleistungen bereitstellen, die um ein Vielfaches höher liegen als bei heutigen, konventionellen Rechnern. 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.

Gesteuerte Selbstorganisation

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 theoretische Physiker vom Swiss Nanoscience Institute der Universität Basel um Jörg Lehmann und Daniel Loss zusammen mit den spanischen Kollegen Alejandro Gaita-Arino und Eugenio Coronado von der Universität Valencia beschrieben.

Ein Trick hilft weiter

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 nach Angaben der Forscher 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.

(idw – Universität Basel, 31.05.2007 – DLO)