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KIT-Forscher verpacken Terbium-Atom in Schutzhülle Quantenzustand mit Elektroden ausgelesen

| Autor / Redakteur: Dirk Srocke / Peter Schmitz

Neue Impulse für das Quantencomputing versprechen Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT). Grund: Sie konnten den Quantenzustand eines Atoms direkt mit Elektroden auslesen.

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Mit der Studie könnten die Forscher dazu beitragen, klassische Kryptographieverfahren langfristig ad absurdum zu führen.
Mit der Studie könnten die Forscher dazu beitragen, klassische Kryptographieverfahren langfristig ad absurdum zu führen.

Wissenschaftlern des KIT ist offenbar ein weiterer Schritt auf dem Weg zur technischen Umsetzung eines Quantencomputers gelungen. Gemeinsam mit Partnern aus Grenoble und Straßburg konnten die Wissenschaftler den Quantenzustand eines Atoms mittels Elektroden direkt auslesen.

Professor Mario Ruben vom KIT beschreibt die Schwierigkeit des Unterfangens: "Normalerweise verändert jeder Kontakt mit der Außenwelt die Informationen in einem quantenmechanischen System völlig unkontrolliert". Die Herausforderung sei es also, den quantenmechanischen Zustand einerseits stabil und abgeschirmt zu halten, andererseits aber Informationen kontrolliert auszulesen.

Lösen lasse sich das Dilemma mit magnetischen Molekülkomplexen, vermuten die Wissenschaftler. Für ihre Studie haben sie ein Terbium-Atom mit einem Mantel aus rund 100 Kohlenstoff-, Stickstoff- und Wasserstoffatomen umgeben und anschließend zwischen nanometergroße, elektrische Kontakte platziert.

Aufgrund der Moleküleigenschaften haben die Elektroden dabei nach außen ähnlich gewirkt, wie die drei Kanäle eines Transistors: Die Spannung der mittleren Elektrode beeinflusste den Stromfluss durch die anderen beiden. Das habe man genutzt, um den Arbeitspunkt einzustellen. Im Anschluss wurde das Molekül verschiedenen, sich ändernden Magnetfeldern ausgesetzt. Das Umspringen des Spins wurde anhand der Ausschläge der Stromkurve beobachtet.

"Mittels der Messung des Stromflusses konnten wir zeigen, dass der Kernspin des Metallatoms bis zu 20 Sekunden stabil ist", berichtet Ruben und meint: "Für quantenmechanische Vorgänge ist dies eine Ewigkeit." Der Wissenschaftler glaubt zudem, dass die jetzt veröffentlichten Ergebnisse für neue Impulse bei Spintronic und Quantencomputing sorgen werden.

Details zum Versuch wurden in der Zeitschrift Nature veröffentlicht ("Electronic read-out of a single nuclear spin using a molecular spintransistor", R. Vincent et. al., Nature, vol. 488, issue 7411, pp 357-360, doi: 10.1038/nature11341).

Quantencomputer sind bislang ein vorwiegend theoretisches Konzept. In Zukunft könnten die Systeme einige Algorithmen aber deutlich schneller abarbeiten als klassische Rechner. Mögliche Anwendung wäre nicht nur die Suche in extrem großen Datenbanken. Mit einer performanten Produktzerlegung extrem großer Zahlen könnten die Quantenrechner auch klassische Kryptographieverfahren ad absurdum führen.

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