Arbeitsgruppe Quantenspinschaltkreise


Leiter: Prof. Dr. Wolfgang Wernsdorfer

Wir haben uns eines der aktuell ehrgeizigsten wissenschaftlich-technologischen Ziele gesetzt: Die Realisierung eines einsatzfähigen Quantencomputers oder, in größerer Verallgemeinerung, die Entwicklung von Bauelemente, die auf den Prinzipien der Quantenmechanik basieren. Der Grundbaustein ist hierbei im Allgemeinen ein Quantensystem mit zwei Zuständen, das als Quanten-Bit oder Qubit fungiert.

Ein solches Quantensystem muss vollständig kontrollierbar und messbar sein und erfordert daher eine Verbindung zu  makroskopischen Welt. Festkörper-Bauelemente mit elektrischen Zwischenverbindungen zum Qubit sind hierbei von großem Interesse, da hier eine Vielzahl von Methoden für die Herstellung komplexer und skalierbarer Schaltungsarchitekturen zur Verfügung stehen. In den letzten Jahren wurden herausragende Verbesserungen bei der Kontrolle der Qubit-Dynamik erreicht.

Wir sind beim Aufbau einer einzigartigen Plattform für die Tieftemperaturforschung, bei der neben anderen Thematiken die molekulare Quantenspintronik im Mittelpunkt steht. Unser wissenschaftlicher Ansatz macht sich die überragende Flexibilität der Chemie hinsichtlich Abstimmbarkeit und der Kontrolle und Manipulierbarkeit der Eigenschaften von Molekülen (Spin, Anisotropy, Redoxpotential, Licht, elektrisches Feld...) zu Nutze, was zu einem Durchbruch auf dem Gebiet der Quantenelektronik führen kann. Wir stellen durch die Deposition von magnetischen Molekülen unter UHV-Bedingungen hochwertige Bauelemente her und charakterisieren und manipulieren diese in-situ mittels  AFM/STM-Techniken. Wir erforschen die Quanteneigenschaften dieser Moleküle mit Hybridkopplung an (i) einen Quantenpunkt (Ligand, Kohlenstoff-Nanoröhre), (ii) ein Quanten-Nanomechaniksystem, (iii) ein optisch aktives Ion (NV-Zentren in Diamant, etc.), (iv) ein supraleitendes Bauelement und (v) eine Silizium-basierte CMOS-Schaltung. Zum Einen fungiert die Hybridkopplung als Verstärker zur effizienten Auslese der Spinzustände der Moleküle unter Minimierung der Rückwirkung der äußeren Umgebung  auf das Spinsystem, sodass die Quantenzustände beibehalten werden. Zum Anderen können wir dadurch die beiden System quantenmechanisch verschränken und dadurch einen tieferen Einblick in die Quantenmechanik gewinnen, wenn sich hierbei neue Phänomene beobachten lassen, die möglicherweise auch für Anwendungen genutzt werden können.

Das visionäre Konzept der Kodierung von Quanten-Bits in magnetischen Molekülen  wird weltweit durch die Erforschung von molekularem Magnetismus und supramolekularer Chemie vorangetrieben, u.a.  im  European Institute of Molecular Magnetism. Die supramolekulare Chemie stellt verschiedene kraftvolle und kostengünstige Werkzeuge und Verfahren zur Verfügung, um gezielt komplexe molekulare Bauelemente herzustellen, mit denen die Realisierbarkeit  eines "molekularen Quantenprozessors” experimentell demonstriert werden kann. Das Hauptziel bleibt für die kommenden Jahre die Grundlagenforschung mit der Perspektive von Anwendungen in der  Quantenelektronik.

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