Physiker am Basler Nanoscience Institute legen eine neue Idee vor, wie der Supercomputer der Zukunft funktionieren könnte. Er soll einmal alles besser und schneller können, der Quantencomputer, hoch komplexe Aufgaben bewältigen, an denen heute gebräuchliche Rechner scheitern. Wie es der Name sagt, soll der neuartige Supercomputer einmal gemäss den Gesetzen der Quantenmechanik arbeiten, im vorliegenden Fall mit einer speziellen Eigenschaft der Elektronen. Diese Atombestandteile besitzen neben ihrer (geringen) Masse und negativen Ladung auch einen Spin, eine quantenmechanische Grösse, die grob vereinfacht als Eigendrehung des Elektrons verstanden werden kann. Der Spin-Zustand eines Elektrons (Qubit) kann dann seinerseits dazu verwendet werden, Information zu speichern.
Voraussetzung fürs Speichern und Abrufen von Information im subatomaren Bereich ist allerdings, dass man lernt, die Spins einzelner Elektronen zu verändern und zu messen, ohne damit die ganze Nachbarschaft zu stören und so das Rechenresultat zu verfälschen.
Wie das rechnen mit Qubits auf molekularer Ebene möglich werden könnte, haben nun die Basler Physiker Jörg Lehmann und Daniel Loss sowie Alejandro Gaita-Arino und Eugenio Coronado (Universität Valencia) in der jüngsten Ausgabe der Zeitschrift «Nature Nanotechnology» beschrieben. Dabei setzte die Gruppe für einmal nicht auf Miniaturisierung von herkömmlichen Halbleitermaterialien bis auf atomares Niveau hinunter, sondern kreierten eigens ein Riesenmolekül als Qubits-Plattform. Bei diesem Molekül handelt es sich um ein sogenanntes Polyoxometallat (POM), in diesem Fall eine komplexe Molybdän-Vanadium-Oxid-Verbindung, die negativ geladen ist. Durch Zufügen oder Wegnahme eines Elektrons aus dem POM lässt sich die Stärke der Kopplung zwischen den beiden auf dem Molekül sitzenden Qubits verändern oder umgekehrt: Indem man den Ladungszustand des POM misst, lässt sich der zustand der Qubits, also das Resultat der Rechnung, ablesen. Damit könne – so zeige die Simulation – eine sehr hohe Rechengenauigkeit erzielt werden, versichern die Forscher.
«Meines Wissens sind wir die ersten, die ein einzelnes Molekül als Qubits-Plattform vorschlagen», sagt Jörg Lehmann gegenüber der baz. Dieser Ansatz habe den Vorteil, dass sich solche Qubits-Plattformen chemisch sehr rein herstellen lassen und die praktischen Experimente – wenn es denn einmal so weit kommt – gut reproduzierbar sind.
Durchgeführt wurden diese Arbeiten in Basel übrigens am Swiss Nanoscience Institute, einem Forschungsschwerpunkt der Universität Basel, der aus dem Nationalen Forschungsschwerpunkt (NFS) Nanowissenschaften hervorging. Am von der Uni Basel koordinierten Nano-Netzwerk beteiligen sich finanziell neben Industriepartnern auch der Bund und der Kanton Aargau.