Quantencomputer aus Nanomagneten

Eine neue Dimension des Rechnens mit dem Qubit. Quantencomputing mausert sich zu einer eigenständigen wissenschaftlichen Disziplin. Ihre Forschung macht Einzelmolekülmagnete nun zur kleinsten Informationseinheit.

Wie das Bit in der Welt der digitalen Computer ist das Qubit ein Maß für die kleinste Informationseinheit für einen Quantencomputer. Das Qubit ist ein Quantensystem aus zwei Zuständen, das die sichere Erfassung jeweils eines dieser beiden Zustände erlaubt. So ein Quantensystem kann beispielsweise die Elektronenhülle eines Atoms sein. Deren Elektronen können sich auf diskreten Energieniveaus bewegen und befinden sich damit in einem definierten Zustand. Die messbaren Zustände eines Systems mit zwei möglichen Zuständen entsprechen den Werten Eins und Null des digitalen Bit. Nun der Unterschied zum Bit: In der Quantenphysik existieren beliebig viele gemischte Zustände zwischen den beiden messbaren Energiezuständen, den Eigenzuständen. Die Wahrscheinlichkeit der Messung eines solchen Eigenzustands des Qubits hängt vom Wert des Zwischenzustands im Augenblick der Messung ab.

Das Prinzip der Superposition und seine Vergänglichkeit

Die Natur der gemischten Zustände lässt sich besser noch mit einer Wellenfunktion beschreiben. In der Welt der kleinsten Teilchen sind Partikel und Wellen nicht voneinander unterscheidbar. Der Zustand eines Systems entspricht einer bestimmten Wellenfunktion. Überlagern sich zwei Zustände eines Teilchensystems, denen man jeweils eine bestimmte Wellenfunktion zuordnen kann, entsteht wiederum eine neue Wellenfunktion. Dies ist das Superpositionsprinzip. Folgen zwei Zustände diesem Prinzip, zeigen sie Quantenkohärenz. Die Wellenfunktion des gemischten Zustands wird von ihrer Umgebung beeinflusst und existiert somit nur eine beschränkte Zeit. Sie verändert sich spätestens beim Versuch ihrer Messung.

Ein weiteres Prinzip der Quantenmechanik: Allein die Beobachtung eines Systems aus Quanten – Teilchen in subatomarer Größe oder ihre Wellenfunktionen – hat Folgen für den Zustand des Systems. Die begrenzte Lebensdauer der Wellenfunktion des gemischten Zustands wird als Dekohärenzzeit bezeichnet und ist selbst wiederum messbar. Ist sie lang genug, ist eine der Voraussetzungen erfüllt, die ein System erfüllen muss, damit es zum Qubit wird. Hinreichende Werte liegen in der Größenordnung von einigen hundert Nanosekunden.

Verschränkung von Qubits und weitere Folgen

Erlaubt ein Teilchensystem aus mehreren Qubits, dass diese sich selbst wiederum überlagern können, entstehen neue Wellenfunktionen. Die Qubits sind dann verschränkt. So können ganze „Qubytes“ verschränkt sein. Mit erstaunlichen Folgen. Im Fall eines verschränkten Qubytes hat das einzelne Qubit keinen definierten Zustand, das gesamte Qubyte sehr wohl. Und mehr noch: Während das Byte – eine Kombination aus acht Bits – einen Wert aus 256 (zwei-hoch-acht) Möglichen haben kann, so hat das Qubyte mehrere, im Extremfall alle 256 Werte gleichzeitig. Dieser so genannte Quantenparallelismus ist der Grund, dass Quantencomputer bestimmte Probleme schneller lösen können als ihre klassischen Pendants. In diesem Zusammenhang wird gerne die Kryptographie als mögliche Anwendung genannt.

Magnete in Molekülgröße geben der Entwicklung des Quantencomputers neuen Schub

Sehr viel versprechende Systeme mit Quantenkohärenz synthetisierte eine Arbeitsgruppe in Oxford in Form von Chrom-Nickel-Clustern. Deren elektronischen Spinzustände lassen sich im Magnetfeld zu zwei getrennten Energieniveaus aufspalten. Bei den niedrigen Temperaturen des Experiments ist nur der untere Zustand mit Elektronen besetzt. Wird mit Hilfe eines Mikrowellenpulses Energie in das System gestrahlt, entsteht ein Superpositionszustand zwischen beiden Spinniveaus. Ein zweiter Mikrowellenstoß lässt das System in den Grundzustand zurückfallen. Die dabei gemessene Dekohärenzzeit liegt im Fall der untersuchten Metallcluster bei 400 Nanosekunden.

Eine hinreichend lange Lebensdauer gemäß der Kriterienliste von David P. DiVincenzo (IBM), der Voraussetzungen für Quantencomputer aus diversen Disziplinen der Physik ableitete, darunter Quantenoptik und Supraleitung. Einer Arbeitsgruppe in Stuttgart gelang es in jüngerer Zeit Quantenkohärenz in Einzelmokelülmagneten nachzuweisen. Das untersuchte Molekül war zuvor schon ein interessanter Kandidat für die Informationsspeicherung. Die grosse Energielücke zwischen seinen Spinniveaus machte es zum Kandidaten für einen molekularen Datenspeicher und sollte enorme Speicherdichten ermöglichen. Nun folgt für den Eisenkomplex womöglich eine neue Karriere als Qubit.

Einzelmolekülmagnete verknüpfen und Qubits verschränken

Bisher wurden die Messung der Dekohärenzzeit von Einzelmolekülen noch in Lösung durchgeführt. Die geordnete Gitterstruktur eines Kristalls böte hingegen die Möglichkeit die einzelnen Moleküle über Austauschwechselwirkung miteinander zu verschränken. In der Tat zeigen konnte man in kristallinen Proben Hinweise für eine Quantenkohärenz finden. Damit hat die Entwicklung zum Quantencomputer beste Aussichten auf Erfolg. Das sollte allerdings nicht darüber hinweg täuschen, dass ein funktionsfähiger Quantencomputer mit beispielsweise einem 8-Qubit-Betriebssystem noch viele Jahre zur Realisierung braucht. Dabei wurde das QuByte selbst schon 2005 in Form von acht verschränkten Ionen von einer Innsbrucker Arbeitsgruppe dargestellt.