Rezept für molekularen Quantencomputer

Physiker der Universität Basel und spanische Chemiker haben gezeigt, dass sich der Spin von Elektronen in geeigneten Molekülen elektrisch gezielt beeinflussen lässt. Damit sollen sich neue Möglichkeiten für die Realisierung eines Quantencomputers eröffnen.

Der jüngst veröffentlichte Vorschlag vereint die Ansätze der festkörperbasierten Quanteninformationsverarbeitung mit den Vorteilen der molekularen Elektronik. Diese bestehen in einer extremen Miniaturisierung bis hinunter auf das Niveau einzelner Moleküle.

Komplexe Schaltkreise lassen sich mittels der chemischen Bottom-up-Methode aufbauen. Darunter ist eine durch chemische Reaktionen gesteuerte Selbstorganisation zu verstehen. Andererseits 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 sich durch eine Kombination beider Zugänge ein elementarer Rechenschritt für einen Quantencomputer realisieren lässt, wurde nun erstmals von den Forschern der Uni Basel und der Uni Valencia beschrieben.

Der entscheidende Trick besteht dabei in der Verwendung eines so genannten Polyoxometallats. Dieses Molekül enthält zwei Elektronen, deren Spins als physikalische Realisierung der Qubits dienen. Eine weitere Einheit des Moleküls ändert beim Laden und Entladen mit einem Zusatzelektron die Stärke der Kopplung zwischen den beiden Spin-Qubits.

Man kann das Molekül nun zum Beispiel mit der metallischen Spitze eines Rastertunnel-Mikroskops kontaktieren und die angelegte Spannung ändern. Dadurch wird der Ladevorgang von außen steuerbar. Eine Computer-Simulation eines solchen Prozesses hat ergeben, dass sich auf diese Weise eine sehr hohe Genauigkeit der Rechenoperation erzielen lässt.

Ein wesentliches Plus der chemischen Bottom-up-Methode liegt darin, dass man problemlos identische Moleküle herstellen kann. Das ist der große Vorteil gegenüber der in der Halbleiterphysik benutzten Top-down-Methode. Die Forscher sprechen bereits von einer neuen Alternative auf dem noch langen Weg zur Realisierung eines Quantencomputers. (dsc)