Professor Mario Ruben, Chemiker und Experte für molekulare Quantenmaterialien am Karlsruher Institut für Technologie (KIT), erhält für sein Projekt „Hilbert Molecules“ einen Advanced Grant des Europäischen Forschungsrats (ERC). Dieses beschäftigt sich mit der Entwicklung von mehrstufigen Qubits, Qudits genannt, die auf den Kernspins von Molekülen basieren. Dies soll die Skalierbarkeit und Steuerbarkeit von quantenmechanischen Geräten verbessern. Damit geht das Projekt einen wesentlichen Schritt auf dem Weg zum Quanteninternet. Der ERC fördert das Vorhaben mit rund 2,5 Millionen Euro über fünf Jahre.
„Ich gratuliere Professor Mario Ruben zu diesem wunderbaren Erfolg“, sagt Professor Oliver Kraft, Vizepräsident Forschung, Lehre und Akademische Angelegenheiten des KIT. „Der ERC Advanced Grant zeichnet Forschende aus, die ihr Fachgebiet international prägen. Seine herausragende Arbeit an der Schnittstelle von Chemie und Quantentechnologien hat neue Maßstäbe gesetzt und unterstreicht die wissenschaftliche Qualität der Forschung am KIT und ihre Bedeutung für die Entwicklung zukünftiger Quantenkommunikationssysteme.“
Vom Qubit zum Qudit
Mario Ruben ist Professor am KIT und an der Universität Straßburg. Am Institut für QuantenMaterialien und Technologien (IQMT) des KIT erforscht er molekulare Materialien für Quantentechnologien. Solche Materialien ermöglichen die Nutzung von Quanteneffekten wie Überlagerung und Verschränkung, die für die Informationsverarbeitung durch Quantenoperationen entscheidend sind. „Eine große Herausforderung besteht darin, die dafür erforderlichen kohärenten Zustände bei Quantenoperationen stabil zu halten“, sagt der Chemiker, der außerdem am Institut für Nanotechnologie (INT) des KIT die Forschungsgruppe „Molekulare Materialien“ leitet. „Wir gehen diese Herausforderung an, indem wir mehrstufige Quantenbits, Qudits genannt, entwickeln.“
Bis jetzt arbeiten Quantencomputer mit zweistufigen Quantenbits, kurz Qubits, als kleinste Recheneinheiten. Qubits können nicht nur die Zustände Null oder Eins annehmen, sondern auch Zwischenzustände und Überlagerungen. Zudem können sie miteinander verschränkt werden. Qudits können deutlich mehr Zustände annehmen. Dabei definiert „d“ die Dimension des Hilbert-Raums, also den verfügbaren mathematischen Rechenraum für Quantenoperationen. Das ermöglicht mehr Rechenleistung mit weniger Quantenteilchen und macht Quantensysteme robuster und weniger fehleranfällig.
Erweiterter mathematischer Rechenraum
Um solche Qudits praktisch umzusetzen, nutzt das Projekt „Hilbert Molecules“ (steht für: Hilbert Space Engineering of Nuclear Spin Qudits by Isotopologue Coordination Chemistry) den Kernspin, also den Eigendrehimpuls von Atomkernen, als Quantenressource. Dabei greift die Gruppe von Mario Ruben auf Lanthanoid-Komplexe zurück – Verbindungen aus seltenen Erden, bei denen dreiwertige Metallionen an verschiedene organische Liganden binden. Diese Materialien eignen sich besonders gut, um Quantensysteme mit vielen Zuständen zu realisieren. In dem nun mit einem ERC Advanced Grant geförderten Projekt setzen die Forschenden um Mario Ruben Qudit-Komplexe durch präzise chemische Synthese als Quantenhardware ein. Die elektronische Kopplung mehrerer Kernspin-Einheiten erweitert den Hilbert-Raum – also den verfügbaren mathematischen Rechenraum – exponentiell und ermöglicht komplexere Quantenoperationen. „Das Projekt verbindet synthetische Chemie und Quantenphysik“, erklärt Ruben.
Die Forschenden entwickeln zudem optische Ausleseverfahren, mit denen sich Kernspins minimalinvasiv und zerstörungsfrei auslesen lassen. Das soll die Skalierbarkeit und Steuerbarkeit entsprechender Quantensysteme deutlich verbessern. „Damit gehen wir gemeinsam mit den Kolleginnen und Kollegen der Physik am KIT einen wesentlichen Schritt auf dem Weg zum Quanteninternet“, sagt Ruben. Das KIT verfügt bereits über eine 20 Kilometer lange Glasfaserverbindung zwischen dem Campus Nord und dem Campus Süd, die unter anderem dazu dient, die Verknüpfung und Verteilung von Quantenressourcen zu erforschen.
ERC Advanced Grants 2025
Mit den ERC Advanced Grants fördert der Europäische Forschungsrat (ERC) etablierte Spitzenforschende mit einer herausragenden wissenschaftlichen Leistung, die neue Forschungsgebiete erschließen möchten. Als Ergebnis der Ausschreibungsrunde 2025 zeichnet der Europäische Forschungsrat insgesamt 319 Spitzenforschende aus ganz Europa mit Advanced Grants aus und fördert ihre Projekte mit insgesamt 838 Millionen Euro. Eine Rekordzahl von 3 329 Forschenden hatte sich um einen ERC Advanced Grant beworben, 9,6 Prozent von ihnen mit Erfolg.
Mario Ruben