Forscherteam demonstriert die vollständige optische Kontrolle von Kernspins in einem molekularen System –
Die Kernspinresonanz (engl. Nuclear Magnetic Resonance, NMR) ist eine etablierte Methode zur Untersuchung von Materialien und Molekülen – von der chemischen Analyse bis hin zur Quanteninformationsverarbeitung. Kernspins gelten aufgrund ihrer geringen Wechselwirkung mit der Umgebung als besonders stabile Träger von Quanteninformation. Forschenden aus dem QR.N-Konsortium am Standort Karlsruhe ist es nun erstmals gelungen, Kernspins in einem molekularen Material optisch zu initialisieren, zu kontrollieren und auszulesen. Die kürzlich in Nature Materials veröffentlichten Ergebnisse zeigen, dass molekulare Kernspins ein vielversprechender Baustein für zukünftige Quantentechnologien sein könnten.
In der Studie untersuchte das Team des KIT einen Molekülkristall, der Europium-Ionen enthält und am Institut für QuantenMaterialien und Technologien sowie am Institut für Nanotechnologie des KIT synthetisiert und umfassend charakterisiert wurde. Diese Ionen zeichnen sich durch besonders schmale optische Übergänge aus, die einen direkten Zugang zu den Kernspinzuständen ermöglichen. Mithilfe von Laserlicht konnten die Forschenden die Kernspins zunächst in definierte Zustände überführen und anschließend optisch auslesen. Ergänzend kamen Hochfrequenzfelder zum Einsatz, mit denen sich die Spins gezielt kontrollieren und zugleich vor störenden Umwelteinflüssen schützen lassen. Dabei erreichte das Team eine Kernspin-Quantenkohärenz mit einer Lebensdauer von bis zu zwei Millisekunden – also jener Zeitspanne, in der ein Quantensystem seinen definierten quantenmechanischen Zustand beibehält.
„Die Ergebnisse zeigen, dass molekulare Materialien eine vielversprechende Plattform für zukünftige Quantenbauelemente sein können“, so Prof. Dr. David Hunger vom Physikalischen Institut des KIT. „Besonders vorteilhaft ist, dass wir die Kernspins hier ohne störende Elektronenspins adressieren können. Dadurch lassen sich künftig besonders stabile und dicht gepackte Qubit-Register realisieren.“
Langfristig eröffnen optisch adressierbare Kernspins in Molekülen neue Perspektiven für die Entwicklung skalierbarer Quantencomputer. Denn wie sich zeigt, lassen sich molekulare Systeme chemisch maßschneidern und könnten so atomar präzise Qubits ermöglichen. Mit der optisch detektierten Kernspinresonanz (ODNMR) werden zudem neue hochauflösende NMR-Methoden realisierbar, die künftig die detaillierte Untersuchung komplexer Materialien erlauben. Die Ergebnisse unterstreichen damit das große Potenzial molekularer Systeme für Quantentechnologien und markieren einen wichtigen Schritt hin zu optisch vernetzbaren Quantenverarbeitungssystemen. Hier geht’s zum Paper.
Quellennachweis: https://www.kit.edu/kit/pi_2026_025_neue-wege-fuer-quantentechnologien-optische-kontrolle-von-kernspins-in-molekuelen.php
