Molekulare Quanten­systeme

Es existieren diverse Ansätze, um Quantencomputer zu entwickeln. Der grosse Durchbruch ist bislang mit keinem gelungen. Im WSS-Forschungszentrum für molekulare Quantensysteme (MolQ) verfolgen Forschende der Universitäten Basel und Bern eine neue, innovative Strategie, um stabile und energieeffiziente Quanteneinheiten zu bauen.

Das Ziel des Forschungszentrums ist es, sogenannte topologisch geschützte Quanteneinheiten auf supraleitenden Materialien zu bauen. Supraleitend ist ein Material, auf dem Strom ohne Widerstand fliesst. Und topologisch bedeutet: Komplexe Strukturen des Materials verhindern, dass es durch äussere Einflüsse wie Störungen oder Defekte seine grundlegenden Eigenschaften verliert.

In einem ersten Schritt stellt ein Chemie-Team an der Universität Bern neuartige Moleküle her, die in der Lage sind, einzelne Elektronen aufzunehmen. In Basel verschmelzen dann Physikerinnen und Physiker diese Moleküle mit einer supraleitenden Unterlage. Jedes Molekül nimmt ein zusätzliches Elektron auf und erhält dadurch ein magnetisches Moment. Bei einer geschickten Anordnung der Moleküle erzeugen dessen Ladungen und magnetische Momente sogenannte supraleitende Randströme. Auf diesen Randströmen fliesst Ladung verlustfrei ringförmig um die molekularen Inseln – sie lassen sich als Informationsspeicher, respektive neuartige Quanteneinheiten verwenden.

Die Vorteile der geplanten molekularen Quantensysteme sind weitreichend: Sie sind zum Beispiel derart klein, dass eine enorme Anzahl von ihnen auf einem winzigen Quantenchip Platz findet. Zudem ist der Energieverbrauch eines Quantencomputers, der auf Supraleitern beruht, deutlich geringer. Und dank dem topologischen Schutz lassen sich Quantenzustände bis zu 1000 Mal länger aufrechterhalten als mit herkömmlichen Methoden. Das heisst: Es können viel mehr Operationen durchgeführt werden, bevor ein Fehler auftritt.