Ein zu den Metallen der Seltenen Erden gehörendes kernspinhaltiges Europium-Molekül ermöglicht eine effektive Photon-Spin-Schnittstelle. Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT), der Universität Strassburg, der Chimie Paristech und der nationalen französischen Forschungsorganisation CNRS ebnen damit den Weg für den Quantencomputer der Zukunft. Details wurden in "Nature" publiziert.
"Um praktische Anwendungen zu ermöglichen, müssen wir Quantenzustände speichern, verarbeiten und verteilen können. Dazu haben wir nun ein vielversprechendes neuartiges Material identifiziert: ein kernspinhaltiges Europium-Molekül, das zu den Metallen der Seltenen Erden gehört", so KIT-Forschungsgruppenleiter Mario Ruben. Das Molekül ist so aufgebaut, dass es bei Laseranregung Lumineszenz zeigt, das heisst Lichtteilchen aussendet, welche die Kernspininformation tragen.
Durch gezielte Laserexperimente lässt sich damit eine effektive Licht-Kernspin-Schnittstelle schaffen. Die vorliegende Arbeit zeigt die Adressierung von Kernspinniveaus mithilfe von Photonen, die kohärente Speicherung von Photonen sowie die Ausführung erster Quantenoperationen. Um nützliche Quantenoperationen durchzuführen, bedarf es vieler Qubits, die miteinander quantenmechanisch verbunden werden. Für diese Verschränkung müssen die Qubits miteinander wechselwirken können.
Laut den Forschern lassen sich die Europium-Ionen in den Molekülen über elektrische Streufelder so miteinander koppeln, dass künftig Verschränkung und damit Quanteninformationsverarbeitung möglich wird. Da die Moleküle atomgenau aufgebaut sind und sich in exakten Kristallen anordnen, lässt sich eine hohe Qubit-Dichte erreichen, heisst es. Ein weiterer für praktische Anwendungen entscheidender Aspekt ist, den Experten nach, die Adressierbarkeit der einzelnen Qubits.
Mit optischer Adressierung lassen sich Auslesegeschwindigkeit steigern und störende elektrische Zuführungen vermeiden, und durch Frequenzseparation lässt sich eine Vielzahl von Molekülen individuell adressieren. Die vorliegende Arbeit erreicht gegenüber früheren Arbeiten eine rund tausendfach verbesserte optische Kohärenz in einem molekularen Material. Damit lassen sich Kernspinzustände gezielt optisch manipulieren.
