Ein einzelnes Molekül kann als winziger Quantenspeicher dienen und zugleich mit Licht angesprochen werden. Das zeigt ein Forschungsteam in einer am 28. Oktober in Nature veröffentlichten Studie. Die Forscher untersuchten ein Molekül in einem Kristall bei 4,5 Kelvin, also knapp über dem absoluten Temperaturnullpunkt.
Der Befund ist für die Forschung an Quantennetzwerken interessant. In einem solchen Netzwerk müssten lokale Quantenzustände Informationen halten und Lichtteilchen sie zwischen entfernten Stellen übertragen. Die Studie untersucht zunächst eine Schnittstelle an einem einzelnen Molekül; ein verbundenes Netzwerk ist nicht Teil des gezeigten Experiments.
Ein Zustand, der sich mit Licht ansprechen lässt
Ein Qubit ist die grundlegende Informationseinheit eines Quantencomputers. Anders als ein gewöhnliches Bit kann sein Zustand quantenmechanische Eigenschaften nutzen. Für einen solchen Zustand kommt unter anderem der Spin infrage. Das ist eine Eigenschaft von Teilchen, die sich vereinfacht als eine Art quantenmechanischer Drehimpuls beschreiben lässt.
Das untersuchte Molekül besitzt einen solchen Spin-Zustand. Licht kann bestimmte Übergänge des Moleküls anregen; das ausgesandte Licht liefert Informationen über seinen Zustand. Das Team konnte einzelne Moleküle optisch adressieren und spinabhängige Übergänge beobachten. Die Kopplung von Spin und Licht ist der Kern der untersuchten Schnittstelle.
Als Material verwendete das Team ein sogenanntes Carben-Molekül. Es wurde in einen Wirtskristall eingebettet, dessen Struktur zum Molekül passt. Diese Umgebung gehört zum Versuchsaufbau: Die Forscher untersuchten nicht ein frei im Raum schwebendes Molekül, sondern ein einzelnes Molekül innerhalb des Kristalls.
Warum Stabilität und Zeit wichtig sind
Für einen möglichen Knoten in einem Quantennetzwerk müsste ein Zustand lange genug erhalten bleiben, während Licht für die Verbindung nach außen genutzt wird. Gleichzeitig sollten die optischen Eigenschaften möglichst stabil sein. Ändert sich die Farbe des ausgesandten Lichts stark, wird es schwieriger, Lichtteilchen verschiedener Knoten aufeinander abzustimmen.
Die Autoren berichten von stabilen optischen Eigenschaften über mehr als eine Stunde. Mit einer Technik namens dynamische Entkopplung erreichten sie Kohärenz im Millisekundenbereich. Kohärenz beschreibt hier, wie lange ein kontrollierter Quantenzustand seine für die Verarbeitung wichtige Ordnung bewahren kann. Die Zeit wurde unter den Bedingungen und mit dem Verfahren des Experiments gemessen.
Diese beiden Zeitangaben beschreiben Verschiedenes. Die optische Stabilität betrifft die beobachteten Lichtübergänge; die Kohärenzzeit betrifft den kontrollierten Spin-Zustand. Beide Werte sind für die untersuchte Schnittstelle relevant, sollten aber nicht als eine einzige Speicherdauer gelesen werden.
Ein möglicher Baustein für spätere Netze
Die Forscher sehen in chemisch gestaltbaren Molekülen eine Ergänzung zu anderen Plattformen für Quantentechnik. Bei Molekülen lässt sich die Struktur durch chemische Herstellung gezielt gestalten. Das Experiment zeigt, dass sich ein einzelnes Molekül unter den beschriebenen Bedingungen mit Licht und Mikrowellen untersuchen und kontrollieren lässt.
Die Temperatur gehört dabei zur Aussage: 4,5 Kelvin entsprechen etwa minus 269 Grad Celsius. Der Aufbau benötigt also starke Kühlung. Für eine spätere Verbindung mehrerer Knoten wären weitere Schritte nötig. Die vorliegende Arbeit liefert zunächst einen experimentellen Nachweis für eine einzelne Spin-Licht-Schnittstelle und untersucht ihre Eigenschaften.
Quellen
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