de.wedoany.com-Bericht: Deutschlands NVision Imaging Technologies und die Universität Ulm haben kürzlich gemeinsam eine Grundlagenstudie im Bereich der Quanteninformation veröffentlicht. Wissenschaftlern gelang erstmals die kohärente Quantenkontrolle und optische Auslese eines einzelnen organischen Moleküls. Die Forschungsergebnisse wurden öffentlich auf der Preprint-Plattform arXiv publiziert. Die demonstrierte optische Linienbreite von nur 38 MHz, die spektrale Stabilität von über einer Stunde sowie die im Vergleich zu früheren molekularen Quantensystemen um mehr als eine Größenordnung verbesserte Kohärenzzeit liefern den bislang stärksten experimentellen Beleg für molekulare Quantensysteme als aufstrebenden Zweig der Quantenhardware.
Die Studie wurde in Zusammenarbeit von NVision-Mitgründer Ilai Schwartz, dem Ulmer Theoretischen Physiker Martin Plenio, dem Institut für Quantenoptik der Universität Ulm und weiteren Teams durchgeführt. Ausgehend vom molekularen Strukturdesign bettete das Forschungsteam eine Carben-Vorläufermolekül mit zwei ungepaarten Elektronen in eine präzise abgestimmte kristalline Wirtsmatrix ein und bildete so einen typischen Triplett-Grundzustand. Bei kryogenen Temperaturen wurde der Vorläufer mittels Laserphotolyse in ein aktives Carben-Molekül umgewandelt, wodurch die Initialisierung, Manipulation und optische Auslese des Spinzustands dieses Moleküls erfolgreich realisiert werden konnte. Dieses molekulare Qubit kann Quanteninformationen im Millisekundenbereich aufrechterhalten und erfüllt damit das Zeitfenster für die Ausführung komplexer Quantenlogikgatter. Diese Validierung stützte sich auf Laser- und Mikrowellenpulse zur präzisen Kontrolle der Quantenzustände und nutzte die optisch detektierte Magnetresonanz zur direkten Auslesung des Spinzustands auf Einzelmolekülebene.
Dieses Ergebnis stellt die langjährige Abhängigkeit von anorganischen Defekten im Bereich der Quanteninformationsschnittstellen direkt in Frage. Traditionelle Spin-Photonen-Schnittstellenplattformen – wie NV-Zentren in Diamant oder Silizium-Fehlstellen-Zentren – zeigen zwar hervorragende Lebensdauern im Festkörperspin, sind jedoch durch Top-down-Fertigungsverfahren eingeschränkt und lassen sich nur schwer präzise im Kristall anordnen und skalierbar integrieren. Das Team von NVision und der Universität Ulm wählte einen grundlegend anderen Weg: die Nutzung organisch-chemischer Synthesemethoden für ein Bottom-up-Molekül-Engineering, das ein atomgenaues Design von Qubits ermöglicht. Der dadurch eröffnete „Syntheseraum" ist nahezu unendlich, was bedeutet, dass zukünftige molekulare Qubits hinsichtlich optischer Übergangsfrequenzen, Spineigenschaften und Kernspinpositionen maßgeschneidert werden können. Selbst die in der Pharmaindustrie etablierten Methoden des Moleküldesigns könnten genutzt werden, um Quantensensoren zu konstruieren. Genau hierin liegt der Kernvorteil molekularer Systeme als chemisch programmierbare Quantenmodalität.
Das Paper sendet zudem ein klares Signal in Richtung Engineering: Molekulare Qubits können mittels Dünnschichtverfahren direkt auf photonische Chips integriert werden und sind mit gängigen photonischen Materialien wie Lithiumniobat und Siliziumnitrid kompatibel. Diese Eigenschaft legt architektonisch die Fähigkeit zur photonischen Quantenvernetzung und zum verteilten Quantencomputing an, wodurch der erhebliche zusätzliche Engineering-Aufwand entfällt, den heutige Mainstream-Plattformen wie supraleitende Schaltkreise und Ionenfallen für native Photonenkonnektivität benötigen.
NVision-Mitgründer Ilai Schwartz räumte in einem Interview offen ein, dass der MRI-Quantenpolarisator des Unternehmens im Wesentlichen ein „nicht besonders guter Quantencomputer" sei, was das Team dazu veranlasst habe, den Weg zu seiner Umwandlung in einen echten Quantencomputer einzuschlagen. NVision stellte zeitgleich eine als PIQC bezeichnete Architektur für photonisch integrierte Quantenschaltkreise vor, die fünf sich gegenseitig verstärkende technologische Innovationen vereint: präzise designte molekulare Qubits, ein deterministisches Kernspinregister aus synthetischen ¹³C- oder ¹⁴N-Markierungen, eine hybride photonische Integrationstechnologie, die mit etablierten photonischen Plattformen wie Lithiumniobat kompatibel ist, ein Heralded-Entanglement-Protokoll, das Photonenverluste von bis zu 70 % toleriert, sowie ein gestaffeltes Kodierungsschema, das Quanten-LDPC-Codes in Floquet-Codes umwandelt, um den Fehlerkorrekturoverhead zu reduzieren. Die Physikerin Nathalie de Leon von der Princeton University kommentierte: „Das ist ein echter Fortschritt, auf den die Leute in den letzten zehn Jahren hingearbeitet haben", fügte jedoch vorsichtig hinzu, dass das Ergebnis noch ein Stück von einem logisch operationsfähigen Quantencomputer entfernt sei – „Sie haben gezeigt, dass man fliegen kann, was wir jetzt brauchen, ist ein Flugzeug, das den Atlantik überquert."
Selbst wenn molekulare Quantensysteme letztlich nicht zum idealen Qubit werden sollten, könnten sie in Bereichen wie der Quanten-Magnetfeldsensorik und verteilten Quantennetzwerken eine unersetzliche Rolle spielen. Das von NVision diesmal offengelegte Forschungsteam umfasst Kernwissenschaftler seiner Quantentechnologie-Tochtergesellschaft und mehrerer Institute der Universität Ulm und bildet eine vollständige Talentmatrix von der Grundlagenphysik über die organische Chemie bis hin zur Photonik-Integration, die diese neue Quantenmodalität interdisziplinär auf ihrem weiteren Weg zur Skalierung und Herstellbarkeit unterstützt.
Dieser Artikel wurde von Wedoany übersetzt und bearbeitet. Bei jeglicher Zitierung oder Nutzung durch künstliche Intelligenz (KI) ist die Quellenangabe „Wedoany“ zwingend vorgeschrieben. Sollten Urheberrechtsverletzungen oder andere Probleme vorliegen, bitten wir Sie, uns unverzüglich zu benachrichtigen. Wir werden den entsprechenden Inhalt umgehend anpassen oder löschen.
E-Mail: news@wedoany.com
