Nature: Quantenbits elektronisch auslesen

Mittels einfacher Elektroden lässt sich der quantenmechanische Zustand eines einzelnen Atom-kerns steuern und bestimmen / Grundlage für Quantencomputer und Nano-Spintronik

Mittels Goldelektroden kontaktiertes TbPc2-Molekül: Elektronen (rot) hüpfen auf das Molekül und lesen Elektronenspin (orange) und Kernspin (grün) des Terbiums aus. (Grafik: C. Grupe, KIT)

Mittels Goldelektroden kontaktiertes TbPc2-Molekül: Elektronen (rot) hüpfen auf das
Molekül und lesen Elektronenspin (orange) und Kernspin (grün) des Terbiums aus.
(Grafik: C. Grupe, KIT)

Quantencomputer versprechen Rechengeschwindigkeiten, die weit jenseits der Geschwindigkeit heutiger Computer liegen. Da sie Quanteneffekte nutzen würden, sind sie aber auch anfällig für Störungen von außen und der Informationsfluss in und aus dem System ist ein kritischer Punkt. Nun haben Forscher vom KIT mit Partnern aus Grenoble und Straßburg den Quantenzu-stand eines Atoms mittels Elektroden direkt ausgelesen. Über die stabile Schnittstelle von klassischer und Quantenwelt be-richten sie nun in der Zeitschrift Nature. (DOI: 10.1038/nature11341)

„Normalerweise verändert jeder Kontakt mit der Außenwelt die In-formationen in einem quantenmechanischen System völlig unkon-trolliert“, erläutert Professor Mario Ruben vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT). „Wir müssen den quantenmechanischen Zustand also einerseits stabil und abgeschirmt halten, aber andererseits irgendwann die Information kontrolliert auslesen, um sie nutzen zu können.“
Ein Weg aus dem Dilemma scheinen magnetische Molekülkomplexe zu sein. In ihrer Mitte liegt ein Metallatom, das über ein ausgepräg-tes magnetisches Moment, einen Spin, verfügt. Es ist umgeben von organischen Molekülen, die es abschirmen. „Bei der Synthese der Schutzhülle können wir recht exakt festlegen, wie viel das Metalla-tom von der Außenwelt sieht“, erklärt Ruben den Kniff seiner For-schung.
In der vorliegenden Studie wurde das Metallatom Terbium mit einem Mantel aus rund 100 Kohlenstoff-, Stickstoff- und Wasserstoffato-men umgeben und anschließend zwischen nanometergroße, elektri-sche Kontakte platziert. Aufgrund der Eigenschaften des Moleküls wirkten die Elektroden nach außen ähnlich wie die drei Kanäle eines Transistors. Die elektrische Spannung der mittleren Elektrode beein-flusste den Strom durch die anderen beiden. Dies wurde genutzt, um den Arbeitspunkt einzustellen. Dann wurde das Molekül ver-schiedenen sich ändernden Magnetfeldern ausgesetzt und das Um-springen des Spins anhand der Ausschläge in der Stromkurve beo-bachtet. „Mittels der Messung des Stromflusses konnten wir zeigen, dass der Kernspin des Metallatoms bis zu 20 Sekunden stabil ist, bis er umschlägt“, sagt Ruben. „Für quantenmechanische Vorgänge ist dies eine Ewigkeit.“
„Diese Ergebnisse werden der Spintronik und dem Quantencompu-ting neue Impulse geben“, ist sich Ruben sicher. Die Spintronik nutzt den magnetischen Spin einzelner Teilchen für die Informationsver-arbeitung. Das Wort beschreibt die Symbiose von Spin und Elektro-nik. Quantencomputer nutzen quantenmechanische Effekte, wie etwa Verschränkung und Superposition von Spins, die es erlauben, Algorithmen parallel mit hoher Geschwindigkeit durchzuführen.
Die Veröffentlichung:

“Electronic read-out of a single nuclear spin using a molecular spin-transistor”, R. Vincent et. al., Nature, vol. 488, issue 7411, pp 357-360, doi: 10.1038/nature11341

www.nature.com

 

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