Wie atomgenaue Materialstrukturen die Welt der Computer revolutionieren

Quantencomputer mit gigantischer Rechenleistung, Quantensensoren von höchster Empfindlichkeit, Quantenkommunikation zur sicheren Datenübertragung: Eine völlig neue Generation von Technologien basiert auf Quantenphänomenen. So lassen sich bei Teilchen auch Welleneigenschaften beobachten, und Quantenteilchen scheinen an mehreren Orten gleichzeitig zu sein. „Seit rund 20 Jahren versucht die Forschung, diese Phänomene technologisch nutzbar zu machen“, berichtet Professor Mario Ruben. „Da sie mit Umgebungsphänomenen wechselwirken, sind sie instabil. Die Herausforderung besteht darin, sie zu kontrollieren.“ Ruben und seine Forschungsgruppe „Molecular Quantum Materials“ am INT des KIT betrachten das Thema aus der Perspektive der Chemie und fokussieren auf die für Quantentechnologien verwendeten Materialien.

„Wir beginnen mit einzelnen Atomen, bauen daraus neue Moleküle und entwickeln damit innovative Qubit-Materialien“, erklärt Ruben. Ein Quantenbit, kurz Qubit, bildet die kleinste Recheneinheit eines Quantencomputers. Dank einer speziellen Quanteneigenschaft, der Quantensuperposition, kann es sich gleichzeitig in vielen verschiedenen Zuständen zwischen 0 und 1 befinden. Dies ermöglicht es, Daten parallel zu verarbeiten, was die Rechenleistung von Quantencomputern gegenüber digitalen Computern exponentiell steigert. „Die Überlagerungszustände der Qubits müssen dazu lange genug bestehen – wir sprechen von kohärenten Zuständen.“ Auf der Basis von Europium, das zu den Metallen der Seltenen Erden gehört, entwickelt Ruben mit seiner Gruppe atomgenaue Materialstrukturen mit präzise einstellbaren Quanteneigenschaften. „Europium lässt sich mit Licht adressieren und bietet daher eine Schnittstelle zwischen kohärenten Zuständen in Molekülen und kohärenten Zuständen in Photonen.“

Quantencomputer könnten das Internet künftig viel schneller durchsuchen als bisher vorstellbar, Innovationen beschleunigen, Produktionsabläufe optimieren und Klimaprognosen verbessern. Quantensimulation könnte dazu dienen, Materialien zu erforschen, die ihrerseits Quantenphänomene aufweisen. Quantenkommunikation könnte Quanteneigenschaften zur Kryptografie nutzen – sobald jemand versuchte, die Informationen zu entschlüsseln, zerfiele der Quantenzustand. „Um diese sichere Form der Kommunikation zu testen, ist ein Glasfaserkabel zwischen den Standorten Campus Nord und Campus Süd des KIT geplant“, erklärt Ruben. (or)

Der Presseservice des KIT stellt gerne den Kontakt zwischen den Medien und Prof. Mario Ruben her.

Fotonachweis:

Grafik Quanteninformation: Christian Grupe, KIT
Porträt Professor Mario Ruben, IQMT: Markus Breig, KIT