Neue Strategie für Quanten-Spin-Engineering vorgestellt

Forschende des KIT verlängern die Lebensdauer von molekularen Spin-Qubits um das Fünffache

Topographische Rastertunnelmikroskop-Aufnahme von Eisenmolekülen sowie eine Skizze der Molekülstruktur — Maßgeschneiderte magnetische Molekülstruktur für stabile Qubits (Grafik/Collage: Philip Willke) (ausführliche Bildunterschrift siehe Textende)

Elektronen besitzen einen Eigendrehimpuls, den Spin, der sie zu winzigen Magneten macht. In der Quanteninformationsverarbeitung kann dieser als Quantenbit (Qubit) dienen. Im Gegensatz zu klassischen Bits kann ein Qubit nicht nur die Zustände 0 und 1 annehmen, sondern auch Überlagerungen daraus, was zu einer erheblich gesteigerten Informationsdichte und Systemkomplexität führt. Diese Eigenschaften machen Spin-Qubits zu einem vielversprechenden Baustein für zukünftige Quantentechnologien – etwa in der Quantenkommunikation, für hochpräzise Sensorik oder als Speichereinheit in Quantencomputern. Doch das Design und die Kontrolle von Spin-Strukturen auf atomarer Ebene sind herausfordernd, insbesondere das zerstörungsfreie Auslesen der Informationen. In der Zeitschrift Nature Communications stellen Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) nun eine neue Strategie vor, die die Lebensdauer und Steuerung molekularer Spin-Qubits erheblich verbessert.

Stabilere Qubits dank Molekülbaukasten

„Zum Schutz der Quanteninformationen stellen wir eine Doppelmagnetstruktur mit zwei Eisenatomen her, die sich in einem Molekül befinden“, erklärt Professor Philip Willke vom Physikalischen Institut des KIT. „Man kann sich das wie bei Lego-Bausteinen vorstellen: Ein Eisenatom ist fest in ein Molekül eingebettet, das andere wird gezielt daran angedockt. Diese Kombination erlaubt es, nur mit einem Teil des Systems zu interagieren, während der andere Teil abgeschirmt bleibt. Dadurch wird der restliche Teil geschützt und die Lebensdauer des Spins verlängerte sich in unserem Experiment um das Fünffache.“

Für die Herstellung verwendeten die Forschenden die feine Spitze eines Rastertunnelmikroskops, um nach dem Baukastenprinzip ein Eisenatom mit einem Eisen-Phthalocyanin-Molekül zu verbinden – eine Struktur die es so in der Natur nicht gibt. In Zukunft könnten die Baukastenmoleküle die Grundlage für stabilere Einheiten für die Quantentechnologien bilden.

mhe, 08.07.2025

Bild oben
Maßgeschneiderte magnetische Molekülstruktur für stabile Qubits: Zwei Eisenkomplexe – Eisen-Phthalocyanin (FePc, links) und Eisen-Benzol (Fe, rechts) – sind nebeneinander auf der Oberfläche platziert. Die gezielte Kombination dieser Moleküle ermöglicht deutlich stabilere magnetische Zustände, die als Quantenbits dienen können. Rechts oben: Rastertunnelmikroskop-Aufnahme der gefertigten Molekülanordnungen. Unten: Seitenansicht der Molekülanordnung mit hervorgehobenen Eisenatomen (orange).