{"id":360586,"date":"2022-03-11T11:45:02","date_gmt":"2022-03-11T10:45:02","guid":{"rendered":"https:\/\/innovationorigins.com\/?post_type=selected&p=360586"},"modified":"2022-03-11T11:45:02","modified_gmt":"2022-03-11T10:45:02","slug":"quanteninformation-licht-aus-seltenerdmolekuelen","status":"publish","type":"selected","link":"https:\/\/ioplus.nl\/archive\/de\/selected\/quanteninformation-licht-aus-seltenerdmolekuelen\/","title":{"rendered":"Quanteninformation: Licht aus Seltenerdmolek\u00fclen"},"content":{"rendered":"\n

Mit Licht l\u00e4sst sich Quanteninformation schnell, effizient und abh\u00f6rsicher verteilen. Forschende des Karlsruher Instituts f\u00fcr Technologie (KIT), der Universit\u00e4t Stra\u00dfburg,  der Chimie ParisTech und der nationalen franz\u00f6sischen Forschungsorganisation CNRS haben nun die Entwicklung von Materialien zur Verarbeitung von Quanteninformation mit Licht wesentlich vorangebracht: In der Zeitschrift Nature pr\u00e4sentieren sie ein zu den Metallen der Seltenen Erden geh\u00f6rendes kernspinhaltiges Europium-Molek\u00fcl, mit dem sich eine effektive Photon-Spin-Schnittstelle verwirklichen l\u00e4sst, so KIT in einer Pressemeldung<\/a>.<\/p>\n\n\n\n

Quanteninformation wird nicht nur die Forschung und die Industrie, sondern letztlich auch unser Alltagsleben revolutionieren: Sie verspricht unter anderem enorme Fortschritte bei der Simulation von Materialien und Prozessen, was beispielsweise die Entwicklung neuer Arzneimittel, die Verbesserung von Batterien, die Verkehrsplanung sowie sichere Information und Kommunikation voranbringen kann. Ein Quantenbit (Qubit) kann sich gleichzeitig in vielen verschiedenen Zust\u00e4nden zwischen 0 und 1 befinden. Diese sogenannte Quantensuperposition erm\u00f6glicht, Daten massiv parallel zu verarbeiten. Dadurch steigt die Rechenleistung von Quantencomputern gegen\u00fcber digitalen Computern exponentiell. Um Rechenoperationen durchf\u00fchren zu k\u00f6nnen, m\u00fcssen die \u00dcberlagerungszust\u00e4nde eines Qubit allerdings eine gewisse Zeit lang bestehen. Die Quantenforschung spricht von Koh\u00e4renzlebensdauer. Kernspins, das hei\u00dft Drehimpulse der Atomkerne, in Molek\u00fclen erm\u00f6glichen \u00dcberlagerungszust\u00e4nde mit langen Koh\u00e4renzlebensdauern. Denn die Kernspins sind gut von der Umgebung abgeschirmt, sodass sie die Qubits vor st\u00f6renden \u00e4u\u00dferen Einfl\u00fcssen sch\u00fctzen. <\/p>\n\n\n\n

Effektive Licht-Kernspin-Schnittstelle <\/strong><\/h3>\n\n\n\n

\u201eUm praktische Anwendungen zu erm\u00f6glichen, m\u00fcssen wir Quantenzust\u00e4nde speichern, verarbeiten und verteilen k\u00f6nnen\u201c, erkl\u00e4rt Professor Mario Ruben, Leiter der Forschungsgruppe Molecular Quantum Materials am Institut f\u00fcr Quantenmaterialien und -technologien (IQMT) des KIT sowie des European Center for Quantum Sciences \u2013 CESQ an der Universit\u00e4t Stra\u00dfburg. \u201eDazu haben wir nun ein vielversprechendes neuartiges Material identifiziert: ein kernspinhaltiges Europium-Molek\u00fcl, das zu den Metallen der Seltenen Erden geh\u00f6rt.\u201c In einer in der Zeitschrift Nature erschienenen Publikation stellen Forschende um die Professoren Mario Ruben und David Hunger vom IQMT des KIT sowie Dr. Philippe Goldner von der \u00c9cole nationale sup\u00e9rieure de Chimie de Paris (Chimie ParisTech \u2013 PSL University; Centre national de la recherche scientifique, CNRS) das innovative Material vor. 
 
Das Molek\u00fcl ist so aufgebaut, dass es bei Laseranregung Lumineszenz zeigt, das hei\u00dft Lichtteilchen aussendet, welche die Kernspininformation tragen. Durch gezielte Laserexperimente l\u00e4sst sich damit eine effektive Licht-Kernspin-Schnittstelle schaffen. Die vorliegende Arbeit zeigt die Adressierung von Kernspinniveaus mithilfe von Photonen, die koh\u00e4rente Speicherung von Photonen sowie die Ausf\u00fchrung erster Quantenoperationen. <\/p>\n\n\n\n

Hohe Dichte an Qubits <\/strong><\/h3>\n\n\n\n

Um n\u00fctzliche Quantenoperationen durchzuf\u00fchren, bedarf es vieler Qubits, die miteinander quantenmechanisch verbunden werden. F\u00fcr diese Verschr\u00e4nkung m\u00fcssen die Qubits miteinander wechselwirken k\u00f6nnen. Die Forschenden aus Karlsruhe, Stra\u00dfburg und Paris weisen in ihrer Arbeit nach, dass sich die Europium-Ionen in den Molek\u00fclen \u00fcber elektrische Streufelder so miteinander koppeln k\u00f6nnen, dass k\u00fcnftig Verschr\u00e4nkung und damit Quanteninformationsverarbeitung m\u00f6glich wird. Da die Molek\u00fcle atomgenau aufgebaut sind und sich in exakten Kristallen anordnen, l\u00e4sst sich eine hohe Qubit-Dichte erreichen. <\/p>\n\n\n\n

Ein weiterer f\u00fcr praktische Anwendungen entscheidender Aspekt ist die Adressierbarkeit der einzelnen Qubits. Mit optischer Adressierung l\u00e4sst sich die Auslesegeschwindigkeit steigern, lassen sich st\u00f6rende elektrische Zuf\u00fchrungen vermeiden, und durch Frequenzseparation l\u00e4sst sich eine Vielzahl von Molek\u00fclen individuell adressieren. Die vorliegende Arbeit erreicht gegen\u00fcber fr\u00fcheren Arbeiten eine rund tausendfach verbesserte optische Koh\u00e4renz in einem molekularen Material. Damit lassen sich Kernspinzust\u00e4nde gezielt optisch manipulieren.<\/p>\n\n\n\n

Ein Schritt hin zum Quanteninternet <\/strong><\/h3>\n\n\n\n

Licht eignet sich auch dazu, Quanteninformation \u00fcber gr\u00f6\u00dfere Distanzen zu verteilen, um beispielsweise Quantenrechner miteinander zu verkn\u00fcpfen oder Informationen abh\u00f6rsicher zu \u00fcbertragen. Durch Integration des neuartigen Europium-Molek\u00fcls in photonische Strukturen zur Verst\u00e4rkung der \u00dcberg\u00e4nge k\u00f6nnte auch dies in Zukunft m\u00f6glich sein. \u201eUnsere Arbeit bildet einen wichtigen Schritt hin zu Quantenkommunikationsarchitekturen mit seltenerdbasierten Molek\u00fclen als Grundlage f\u00fcr ein Quanteninternet\u201c, sagt Professor David Hunger vom IQMT des KIT.<\/p>\n\n\n\n

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