Molekül nach Maß: Ulmer Start-up steuert einzelnes organisches Qubit mit Licht

Quantencomputer stoßen an Grenzen, sobald sie wachsen: Jedes zusätzliche Qubit verstärkt Störungen und erschwert die Steuerung. Viele Fachleute setzen deshalb auf kleinere Recheneinheiten, die Quanteninformation über Lichtteilchen austauschen. Dafür braucht es eine Schnittstelle, die den Zustand eines Qubits mit einzelnen Photonen verknüpft. Bisher übernehmen meist Fehlstellen in Diamant oder Siliziumkarbid diese Rolle, deren Eigenschaften das Wirtsmaterial weitgehend festlegt. Das Ulmer Unternehmen NVision geht den umgekehrten Weg und entwirft das passende Molekül am Reißbrett.

Ein Carben im maßgeschneiderten Kristall

Das Team um Matthias Pfender modellierte über rund vier Jahre etwa 200 Kandidaten und synthetisierte mehr als 40 davon. Am Ende stand ein Carben: ein rein organisches Molekül, dessen zentrales Kohlenstoffatom zwei ungepaarte Elektronen trägt. Ihr gemeinsamer Spin speichert die Quanteninformation. Als Wirt dient ein Kristall aus einem fast identischen Zwillingsmolekül mit einer Ketongruppe im Zentrum. Der Kristall hält das Molekül flach und schirmt es elektrisch ab.

Weil Carbene sehr reaktiv sind, bauten die Forscher:innen eine stabile Vorstufe ein. Ein Laserpuls spaltet daraus Stickstoff ab und aktiviert das Qubit genau an der gewünschten Stelle.

Millisekunden Kohärenz bei 4,5 Kelvin

Bei 4,5 Kelvin, rund minus 269 Grad Celsius, sprach das Team einzelne Moleküle gezielt mit einem Laser an. Mikrowellenpulse drehten den Spin, die Fluoreszenz verriet seinen Zustand. Die Frequenzen der einzelnen Spinzustände lagen mindestens 1,56 Gigahertz auseinander, sodass ein passend abgestimmter Laser den Zustand eindeutig abfragt.Mit einer schützenden Pulsfolge hielt der Spin seine Kohärenz rund 2,2 Millisekunden lang. Ein Spinflip dauert weniger als 50 Nanosekunden, zehntausende Operationen passen also in dieses Zeitfenster.Die optische Linie war nur 38 Megahertz breit und driftete über eine Stunde um lediglich 2,5 Megahertz. Die Ergebnisse erscheinen im Fachjournal Nature.

Nächster Schritt: Qubits auf Photonik-Chips

Eine Verschränkung zwischen zwei Molekülen oder zwischen Spin und Photon hat das Team noch nicht gezeigt. Die Fluoreszenz-Quantenausbeute liegt bei etwa elf Prozent, und alle Messungen liefen bei extremer Kälte.Gemeinsam mit dem Photonikunternehmen HyperLight will NVision die Moleküle als dünne Schicht auf lichtleitende Chips aus Lithiumniobat aufbringen, ähnlich wie OLED-Materialien auf Displays. Erste Prototypen erwartet das Unternehmen bis Ende 2026. Ob die Moleküle dort ihre Eigenschaften behalten, muss sich erst zeigen.

via NVision 1, NVision 2