Qubits, bei denen die Chemie stimmt
Wenn Forschungsdisziplinen zusammenspannen, eröffnen sich ganz neue Perspektiven. Im neu von der Werner Siemens-Stiftung unterstützten Forschungszentrum MolQ arbeiten Physiker der Universität Basel und Chemiker der Universität Bern an molekularen Quantensystemen auf Supraleitern. Gemeinsam wollen sie einen stabilen und energieeffizienten Quantencomputer entwickeln.
Wo gelingt der Durchbruch zum Quantencomputer der Zukunft? In den Labors milliardenschwerer Tech-Giganten wie Microsoft, Google oder IBM? Vielleicht. Vielleicht aber auch in alt-ehrwürdigen Räumlichkeiten der Universitäten Bern und Basel. Hier verfolgt das neue WSS-Forschungszentrum für molekulare Quantensysteme (MolQ) eine innovative Strategie, um stabile und energieeffiziente Quanteneinheiten zu bauen. Die Werner Siemens-Stiftung (WSS) unterstützt das Vorhaben in den kommenden elf Jahren mit insgesamt 15 Millionen Schweizer Franken.
Wer verstehen möchte, wie der neue Ansatz funktioniert und was ihn derart speziell macht, muss zuerst nach Bern reisen – in die Labors von Privatdozentin Shi-Xia Liu am Departement für Chemie, Biochemie und Pharmazie der Universität Bern. Studierende und Doktorierende arbeiten hier mit Kolben, Messzylindern, Pipetten und Spektrometern. In den Abzügen, kastenartigen Arbeitsflächen mit einer Glasfront, laufen Reaktionen ab. Hinweise auf einen Quantencomputer, wie ihn sich vielleicht Laien vorstellen, sucht man auf den ersten Blick vergeblich.
Und doch entstehen hier jene Moleküle, die den innovativen Ansatz von MolQ überhaupt erst möglich machen. Shi-Xia Liu ist darauf spezialisiert, flache, ringförmige Gerüste aus Kohlenstoff- und Wasserstoffatomen in Moleküle umzubauen, die ganz neue Eigenschaften aufweisen. Dazu ersetzen sie und ihre Mitarbeitenden einige der Kohlenstoffatome dieser sogenannten Aromaten durch Stickstoffatome und ergänzen sie mit Halogenen, zum Beispiel Brom oder Chlor.
Ein einzelnes Elektron
Das klinge einfach und sei auf dem Papier rasch erledigt, sagt Shi-Xia Liu. «Aber im Labor kann das diverse Syntheseschritte erfordern und Tage oder Wochen dauern.» Die besondere Eigenschaft dieser neuen Moleküle ist es, dass sie in der Lage sind, einzelne Elektronen aufzunehmen. Genau dies macht sie für die Entwicklung von Quantenmaterialien interessant. Denn solche ungepaarten Elektronen verfügen über einen Eigendrehimpuls, den sogenannten Spin. Das daran gekoppelte magnetische Moment, so hoffen die Forschenden, lässt sich zum Bau von Quantenbits (Qubits) nutzen.
Qubits sind die Rechenelemente von Quantencomputern – es sind die Äquivalente zu den sogenannten Bits, den kleinsten Informationseinheiten in herkömmlichen Computern. Während Bits nur zwei Zustände – ausgeschaltet (0) oder eingeschaltet (1) – einnehmen, können Qubits einen beliebigen Wert zwischen 0 und 1 annehmen, und damit theoretisch unendlich viele Zustände. Deshalb sind Quantencomputer in der Lage, nicht nur eine Rechenoperation nach der anderen durchzuführen, sondern mehrere gleichzeitig.
Bis Quantencomputer kommerziell verfügbar sind, ist es allerdings noch ein weiter Weg. Erste Geräte existieren, doch sie dienen erst zu Testzwecken oder für Nischenanwendungen. Aktuell dreht sich der Wettlauf um den Quantencomputer noch immer um die Frage, welche Technik die erfolgversprechendste ist. Es existieren diverse Ansätze, um Qubits herzustellen und somit Quanteninformationen zu speichern. Jede hat ihre Vor- und Nachteile (siehe "Wettstreit der Quantensysteme").
Praktisch alle Methoden, um Qubits herzustellen, würden von der Physik ausgehen und einzelne Atome oder Lichtteilchen verwenden, sagt Silvio Decurtins. Der emeritierte Chemie-Professor war viele Jahre der Mentor von Shi-Xia Liu und arbeitet auch im MolQ-Projekt eng mit ihr zusammen. Schon vor 30 Jahren, sagt Decurtins, hätten Theoretiker die Voraussetzungen für den Bau von Qubits definiert. «Was wir brauchen, sind Materialien, die diese Kriterien erfüllen.»
Spiel mit Energieniveaus
Genau hier komme die Chemie ins Spiel – jene Wissenschaft, die den Aufbau, die Eigenschaften und Umwandlungen von Stoffen untersucht. «Der französische Chemiker Marcelin Berthelot hat einmal gesagt: ‹La chimie crée son objet›», sagt Decurtins. Chemiker also erschaffen ihre Untersuchungsobjekte selbst – und die Möglichkeiten zur Schaffung von Materialien mit neuen Eigenschaften sind im Chemielabor nahezu unbegrenzt.
Allerdings kommen die Eigenschaften der Moleküle, welche die Forschungsgruppe von Shi-Xia Liu erschafft, erst im Zusammenspiel mit der Physik zum Tragen. Sie werden im MolQ-Projekt auf einer supraleitenden Unterlage deponiert. Von solchen Metall-Oberflächen, auf denen Strom ohne Widerstand fliesst, nimmt jedes Molekül ein zusätzliches Elektron auf und erhält dadurch sein magnetisches Moment. «Es ist ein Spiel mit Energieniveaus», erklärt Shi-Xia Liu, «nur wenn das Niveau des freien Orbitals unseres Moleküls knapp unter jenem des Supraleiters liegt, springt ein Elektron über.»
Das Verschmelzen von Molekül und Supraleiter ist der eigentliche Kern des MolQ-Projekts. Auf der Metalloberfläche ordnen sich die Moleküle aufgrund der chemischen Bindungen zu Molekülgittern an, sogenannten molekularen Inseln mit genau kontrollierter Grösse, Struktur und Ausrichtung. Dieses hybride Material weist noch eine weitere Besonderheit auf: Es ist topologisch. Das heisst: Seine spezielle Struktur verhindert, dass es durch äussere Einflüsse wie Störungen oder Defekte seine grundlegenden Eigenschaften verliert.
Supraleitende Randströme
Zuständig für den Bau der Supraleiter und für das Aufbringen der Moleküle sind die Teams um Ernst Meyer und Dominik Zumbühl am Departement Physik der Universität Basel. Die beiden leiten das MolQ-Projekt. Sie haben diverse Hochleistungsmikroskope und -geräte zur Verfügung, mit denen sie die neuartigen Materialien mit atomarer Auflösung untersuchen und sogar chemische Reaktionen in Gang bringen können.
Ihr Ziel ist es, die Molekülinseln auf dem Supraleiter so anzuordnen, dass die Ladungen und magnetischen Momente sogenannte supraleitende Randströme erzeugen. Auf diesen Randströmen fliesst Ladung verlustfrei ringförmig um die molekularen Inseln. So wird es möglich, das System als Informationsspeicher mit Qubit-Rechenelementen zu nutzen. «Die Verknüpfung von topologisch geschützten Molekülen mit supraleitenden Randströmen ist der völlig neuartige Ansatz, der das MolQ-Konzept einzigartig macht», sagt Ernst Meyer.
Und zu einem Konzept mit vielen Vorteilen: Erstens wird die Grösse von molekularen Qubits im einstelligen Nanometer-Bereich liegen – es findet also eine enorme Anzahl auf einem einzigen Chip Platz. Zweitens ist der Energieverbrauch dank der supraleitenden Technik sehr klein. Und drittens trägt auch der topologische Schutz zur Effizienz bei. Denn Quantenzustände sind extrem flüchtig und instabil. Meist schleichen sich schon nach kurzen Rechenzeiten Fehler ein. Bei den meisten Techniken wird deshalb ein Grossteil der verbauten Qubits zur Fehlererkennung und -behebung benötigt.
Einkristall oder Aufdampfen
Für die Herstellung der Supraleiter untersuchen die Forschenden verschiedene Ansätze, wie Ernst Meyer erzählt. Eine Möglichkeit ist das Erzeugen von sogenannten Einkristallen aus Materialien wie Blei oder Niob. Der grosse Vorteil von Einkristallen ist, dass sie homogene, perfekte Gitterstrukturen bilden: Ihre chemischen und physikalischen Eigenschaften sind überall gleich. Allerdings ist ihre Herstellung aufwändig und teuer.
Die Alternative ist das Aufdampfen einer hauchdünnen Supraleiter-Schicht auf einen Silizium-Wafer. Ein solches Vorgehen könnte weniger teuer und für eine industrielle Anwendung einfacher sein. Silizium-Wafer werden schon heute für den Bau von Solarzellen in grossem Stil produziert. Auf der Supraleiter-Schicht werden dann Elektroden angelegt, zum Beispiel aus Niob oder Niob-Titan, um den Strom fliessen zu lassen – und das Ganze wird mit den chemischen Molekülen aus Bern verbunden.
An den Grenzen der Messmöglichkeiten
Die chemischen Moleküle in verschiedenen Anordnungen und den Stromtransport auf verschiedenen Supraleiter-Oberflächen zu untersuchen, gehöre zu den wichtigen ersten Schritten im MolQ-Projekt, erzählt Meyer. Dazu dienen Rastertunnel- und Rasterkraftmikroskope, von denen das Departement Physik mehrere besitzt – und welche die Physiker zum Teil sogar selber gebaut haben.
«Für die Transportmessungen stossen wir damit aber an Grenzen», sagt Meyer. Zwar seien Messungen mit dem hauseigenen Rastertunnelmikroskop machbar. «Aber wir müssten die Supraleiter-Molekülprobe mit einer Isolatorschicht versiegeln und die Messungen unter Reinraum-Bedingungen im Kryostat bei 100 Millikelvin durchführen», sagt er.
Mehr Möglichkeiten bieten würde ein topmodernes, neuartiges Rastertunnelmikroskop, dessen Finanzierung das MolQ-Team momentan abklärt. Mit ihm müssten die Forschenden nicht in den Reinraum und könnten auf die Versiegelungsschicht verzichten, welche die Untersuchungen erschwert. Zudem liesse sich der Stromtransport an mehreren Stellen der Probe messen.
Unterschiedliche Bauteile möglich
Erste Untersuchungen der chemischen Moleküle auf Supraleiter-Oberflächen sind vielversprechend. Die Forschenden testeten verschiedene Molekül-Anordnungen – und fanden faszinierende Effekte. «Je nachdem, wie wir die Moleküle gruppieren, entwickeln sie unterschiedliche elektronische Eigenschaften», erzählt Meyer. «Wir sehen bereits, dass wir unterschiedliche Bauteile herstellen können, die in einem Computer essenziell sind.»
Ein Beispiel ist die simple Aneinanderreihung einiger Moleküle. «In solchen Reihen verhalten sich die Moleküle so, dass wir sie als Speicherelemente nutzen können», sagt Meyer. Bei im Dreieck angeordneten Molekülen entdeckten die Forschenden gar etwas völlig Unerwartetes: Erhöhten sie die Spannung in einen bestimmten Bereich, fiel plötzlich der Strom ab. Dies ist ungewöhnlich, denn die meisten Materialien weisen bei steigender Spannung steigenden Strom auf.
«Dieses Phänomen lässt sich zum Beispiel für die Erstellung von Schwingkreisen nutzen», erklärt Ernst Meyer. Ein Schwingkreis ist ein Schaltkreis, der periodische elektrische Schwingungen erzeugt. Solche Bauteile seien auch bei den Qubits in einem Quantencomputer unerlässlich, sagt Meyer. «Wir werden beispielsweise sehr hohe Taktfrequenzen benötigen.»
Der Start ist dem MolQ-Team also geglückt. Man darf gespannt sein, auf welche weiteren überraschenden Erkenntnisse sie auf dem Weg zu einer neuartigen molekularen Quantenelektronik stossen werden.
