KIT Quantencomputer rückt näher

Prof. Wolfgang Wernsdorfer entwickelt schnelle und zuverlässige Methoden, um Spinzustände einzelner magnetischer Moleküle zur Quanteninformationsverarbeitung auszulesen.
Prof. Wolfgang Wernsdorfer entwickelt schnelle und zuverlässige Methoden, um Spinzustände einzelner magnetischer Moleküle zur Quanteninformationsverarbeitung auszulesen.

Spinzustände schnell auslesen, damit will Prof. Wolfgang Wernsdorfer vom KIT den Quantencomputer der Realität näher bringen.

Ihm brachte sein Projekt „Molecular Quantum Opto-Spintronics“ (MoQuOS) jetzt einen ERC Advanced Grant des Europäischen Forschungsrates (ERC) ein. Der Humboldt-Professor am KIT und Experimentalphysiker Professor Wolfgang Wernsdorfer entwickelt im Rahmen von MoQuOS – das Projekt befasst sich mit der optischen Manipulation und Charakterisierung molekularer Quantenbits –  schnelle und zuverlässige Methoden, um Spinzustände einzelner magnetischer Moleküle zur Quanteninformationsverarbeitung auszulesen.  »Wir entwickeln optische Methoden, die es erlauben, die Spinzustände sowohl von Atomkernen als auch von Elektronen in einzelnen Molekülen schnell und zuverlässig auszulesen«, erklärt Wolfgang Wernsdorfer. »Damit werden wir einen wesentlichen Flaschenhals der Quanteninformationsverarbeitung beseitigen.«

Denn das Auslesen der Spinzustände geschah bisher zu langsam. Darum geht es: Atomkerne und Elektronen besitzen Drehimpulse, sogenannte Spins, die sich relativ zu einem Magnetfeld entweder nach oben oder nach unten ausrichten und als Qubits fungieren. Molekulare Magnete, hergestellt aus maßgeschneiderten Molekülen, die magnetische Ionen mit einem Spin enthalten, ermöglichen bereits grundlegende Quantenrechenoperationen. Denn mit ihnen lassen sich mehrere Spinzustände erreichen.

Um sie schnell auszulesen, setzten die Forscher um Wernsdorfer hochwertige Quantenemitter ein, das heißt optisch aktive Zentren, beispielsweise Stickstoff-Fehlstellen-Zentren (NV-Zentren) in Diamanten, um die Spinzustände der Moleküle effizient auszulesen. Dabei achten sie besonders darauf, Rückkopplungswirkungen vom Emitter auf das Spinsystem zu minimieren, um die Quantenzustände zu erhalten. Sie setzen verschiedene optische Techniken ein, wie oberflächenverstärkte Fluoreszenz oder oberflächenverstärkte Raman-Streuung, um die Licht-Materie-Wechselwirkung zu unterstützen und das optische Auslesen zu beschleunigen und zu verbessern. MoQuOS wird die Quantenoptik und Quantenelektronik einzelner Spinsysteme wesentlich voranbringen. Die optischen Methoden lassen sich zudem auch für größere Systeme und zweidimensionale Molekülnetzwerke skalieren.

Professor Wolfgang Wernsdorfer, der am Physikalischen Institut (PHI) und am Institut für Nanotechnologie (INT) des KIT eine Forschungsgruppe leitet, befasst sich schwerpunktmäßig mit der molekularen Quanten-Spintronik, einem Gebiet der experimentellen Festkörperphysik an der Schnittstelle zur Chemie und zu den Materialwissenschaften. Er gehört zu den international führenden Experten für molekulare Magnete und ihrem zukünftigen Einsatz in Quantencomputern.  

In einigen Jahren könnten Quantenschaltkreise neue Materialien und Moleküle simulieren, sagte Wolfgabg Wernsdorfer in enem Interview.

Die aktuelle Auszeichnung für Professor Wolfgang Wernsdorfer ist einer von zwei ERC Advanced Grants, die für die Ausschreibungsrunde 2016 an das KIT gehen. Für Wernsdorfer ist es bereits der zweite ERC Advanced Grant, den ersten warb er am Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) in Grenoble ein.

Mit Advanced Grants fördert der Europäische Forschungsrat (European Research Council, kurz ERC) wegweisende Projekte etablierter Forscher, die in den vergangenen zehn Jahren herausragende wissenschaftliche Leistungen erbracht haben. Sie erhalten für ihre Projekte jeweils bis zu 2,5 Millionen Euro für einen Zeitraum bis zu fünf Jahren. Wie die Ausschreibung 2016 zeigt, herrscht um die Förderung ein intensiver Wettbewerb: Ingesamt gingen rund 2.400 Anträge von hoher Qualität ein. 231 Projekte wurden für einen Advanced Grant ausgewählt. Das entspricht einer Förderquote von 9,6 Prozent.