In der Welt der Quantentechnologie gibt es ganz unterschiedliche Ansätze: Wenn man die Eigenschaften der Quantenwelt nutzbar machen möchte, kann man etwa einzelne Ionen einsetzen, oder supraleitende Schaltkreise verwenden. An der TU Wien allerdings entsteht nun eine neue Art von Quanten-Hardware, mit entscheidenden Vorteilen: Die ‚POLMOL‘-Technik koppelt die elektrischen Zustände polarer Moleküle an das elektrische Feld supraleitender Schaltkreise auf einem Chip. So entsteht ein System, das miniaturisierbar, reproduzierbar und erweiterbar ist – ein neuer Baustein, aus dem man in Zukunft kompliziertere maßgeschneiderte Quantensysteme zusammenfügen kann.
Die Basis für diese Technologie ist der ERC Grant „Emergence in Quantum Physics“, den Prof. Jörg Schmiedmayer (Atominstitut TU Wien, Vienna Center for Quantum Science and Technology) im Jahr 2023 zugesprochen bekam. Das Projekt lief so erfolgreich, dass Jörg Schmiedmayer aufbauend darauf nun vom European Research Council noch einen „Proof of Concept Grant“ einwerben konnte. Mit zusätzlichen 150.000 Euro soll nun in den nächsten 18 Monaten ein Prototyp entstehen, der es möglich macht, ein einzelnes polares Molekül an einen supraleitenden Resonator zu koppeln.
Viele Möglichkeiten – aber auch viele Nachteile
„Die Gesetze der Quantenphysik kann man in ganz unterschiedlichen Objekten studieren“, sagt Jörg Schmiedmayer. „In Atomen, in Molekülen, in Schaltkreisen, in Festkörpern. Dementsprechend gibt es auch eine breite Palette von Quantentechnologien, die man heute für unterschiedliche Zwecke nutzt – etwa für Quantencomputer oder für Quantensensoren.“
Allerdings haben alle diese Technologien bestimmte Nachteile. Supraleitende Qubits speichern Quanteninformation in kleinen elektrischen Schaltkreisen auf einem Chip – sie sind schnell, aber ihre Kohärenzzeit ist kurz – das bedeutet, die Quanteneigenschaften gehen sehr rasch kaputt.
Ionen, die in elektromagnetischen Fallen festgehalten werden, sind viel stabiler. Ihre Quantenkohärenzzeit ist viel länger, aber für sie braucht man sehr aufwändige Infrastrukturen, und es ist schwierig, sie in großer Zahl in kleinen Bauteilen zu integrieren.
Quantenzustände in Festkörpern (meistens werden dazu Dotierungen und Fehlstellen verwendet) können ebenfalls Information über längere Zeiträume speichern – aber sie haben andere Nachteile und interagieren nur schwach mit der Außenwelt. Daher ist es nicht einfach, sie zu steuern, mit Information zu füttern oder Information auszulesen.
Die POLMOL-Technik
Die Forschungsgruppe von Jörg Schmiedmayer geht einen anderen Weg: Man verwendet polare Moleküle, die elektrisch an Mikrowellen-Photonen in supraleitenden Schaltkreisen koppeln. „Diese elektrische Wechselwirkung ist so stark, dass ein einzelnes Mikrowellen-Photon den Zustand eines Moleküls manipulieren kann“, erklärt Jörg Schmiedmayer. Das Molekül übernimmt somit die Rolle eines schaltbaren Qubits.
Auf diese Weise verbindet man zwei wichtige Vorteile: Einerseits die Möglichkeit, Quanteninformation über relativ lange Zeiträume zuverlässig zu speichern, andererseits die Möglichkeit, sie auf technisch einfache und schnelle Weise zu manipulieren.
„Die wesentlichen Vorarbeiten dafür haben wir bereits erledigt. Der nächste entscheidende Schritt ist nun, polare Moleküle in Kristalle einzubauen, die Kopplung von Supraleitern und Molekülen genau zu untersuchen und dann ganz gezielt anzupassen. Dadurch können wir eine neue Quanten-Plattform schaffen, die ganz flexibel je nach Anwendungszweck mit anderen Arten von Quanten-Hardware kombiniert werden kann, die modular erweitert werden kann, die bausteinartig zu komplexeren Systemen zusammengefügt werden kann“, erklärt Schmiedmayer.
Weiterentwicklung zur Markttauglichkeit
Von Quantencomputern über Quantentelekommunikation bis zu Quanten-Sensoren – das Anwendungsgebiet der neuen Technik ist groß. Mit Hilfe des Proof-of-Concept-Grants des ERC soll nun bewiesen werden, dass sich die bisherigen Forschungsergebnisse zu einem praxistauglichen Instrument zusammenfügen lassen.
Man wird die neue Plattform sorgfältig testen und mit bisher bestehenden Quanten-Technologien vergleichen. Geplant ist eine enge Zusammenarbeit mit bestehenden europäischen Quantentechnologie-Firmen und die Vorbereitung einer Spin-off-Firma, die dann die neue Quanten-Plattform auf den Markt bringen soll.
Rückfragehinweise
Prof. Jörg Schmiedmayer
Atominstitut, Vienna Center for Quantum Science and Technology (VCQ)
Technische Universität Wien
Stadionallee 2, 1020 Wien
+43 1 58801 141801
hannes-joerg.schmiedmayer@tuwien.ac.at
Dr. Florian Aigner
PR und Marketing
Technische Universität Wien
+43 664 60588 412
florian.aigner@tuwien.ac.at