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Schlagwort: Quantentechnologie

  • Molekulare Lichterkette eröffnet Wege für Quantentechnologien

    Molekulare Lichterkette eröffnet Wege für Quantentechnologien

    Porphyrine sind zentrale Bausteine der Natur. Sie bilden die Basis für Hämoglobin im Blut oder Chlorophyll in Pflanzen. In Kombination mit Metallzentren erhalten sie vielseitige chemische und physikalische Eigenschaften. Empa-Forschende nutzten nun dieses Prinzip, um Porphyrine gezielt an ein Graphen-Nanoband mit Zickzack-Rändern anzudocken. Die Bindung erfolgte mit höchster Präzision und bildet eine Art molekulare Kette mit exakt definierten Abständen.

    Magnetismus trifft Quantenlogik
    Das Graphenband bringt einen eigenen Randmagnetismus mit, während die Metallzentren der Porphyrine konventionellen Magnetismus beisteuern. Beide Systeme wurden erfolgreich gekoppelt, ein entscheidender Schritt für quantentechnologische Anwendungen. Das hybride Material könnte als Reihe vernetzter Qubits fungieren, in denen Spins als Informationsträger genutzt werden.

    Elektronik und Optik in einem System
    Die Porphyrine sind nicht nur magnetisch aktiv, sondern auch optisch wirksam. Sie können Licht abstrahlen, dessen Wellenlänge vom magnetischen Zustand beeinflusst wird. Eine Art molekulare Lichterkette, die Informationen durch Farbänderungen überträgt. Umgekehrt lässt sich das System durch Licht anregen, was Leitfähigkeit und Magnetismus des Graphenbands verändert. Damit eröffnet sich ein breites Spektrum an Anwendungen von chemischen Sensoren bis hin zu neuartigen Bauelementen der Elektronik.

    Baukasten für die Zukunft
    Die Synthese dieser Strukturen erfordert aufwendige Verfahren. Unter Ultrahochvakuum und bei hohen Temperaturen werden die präzise designten Ausgangsmoleküle auf einer Goldoberfläche zu den Ketten „gebacken“. Unterstützt von der Werner Siemens-Stiftung arbeitet das Empa-Team nun daran, durch Variationen der Metallzentren und Graphenbreiten noch vielseitigere Systeme zu entwickeln. Ziel ist es, Designer-Materialien zu schaffen, die die Grundlage für zukünftige Quantentechnologien bilden.

    Die Kombination von Porphyrinen und Graphen eröffnet eine neue Klasse molekularer Systeme. Sie verbindet Chemie, Magnetismus und Optik in nanoskaligen Strukturen und legt den Grundstein für die Elektronik und Quantentechnologie von morgen.

  • Licht steuert Elektrizität in Metallen

    Licht steuert Elektrizität in Metallen

    Ein Forscherteam der University of Minnesota Twin Cities hat einen bedeutenden Durchbruch erzielt. Es entwickelte ein Verfahren, mit dem sich der Fluss von Elektrizität in extrem dünnen Metallschichten bei Raumtemperatur beeinflussen lässt mithilfe von Licht. Dieser neue Ansatz könnte dabei helfen, zukünftig optische Sensoren und Quanteninformationsgeräte bedeutend effizienter zu gestalten. Die Zwischenergebnisse der Wissenschaftler wurden aktuell in der renommierten Fachzeitschrift „Science Advances“ veröffentlicht.

    Die Basis der Studie beruht auf ultradünnen Schichten aus Rutheniumdioxid (RuO2), welche auf Titandioxid (TiO2) aufgebracht wurden. Je nach Richtung reagieren diese Schichten nicht nur verschieden auf Licht, sondern auch auf den Fluss von Elektrizität. Die Struktur dieser Schichten ermöglicht es, die Dynamik der Elektronen gezielt zu steuern und damit Energieflüsse zu regulieren.

    Neue Wege durch gezielte Lichtnutzung
    Ein zentrales Ergebnis der Forschenden ist, dass sich durch gezielte Veränderungen in der atomaren Struktur die Reaktionen des Materials auf Licht exakt beeinflussen lassen. Dieser gesteuerte Effekt tritt bei gewöhnlichen Temperaturen auf und eröffnet spannende Perspektiven für zukünftige Anwendungen. „Dies ist das erste Mal, dass jemand eine abstimmbare, gerichtete ultraschnelle Ladungsträgerrelaxation in einem Metall bei Raumtemperatur nachgewiesen hat“, bestätigt Seunggyo Jeong, Postdoktorand an der Fakultät für Chemieingenieurwesen und Materialwissenschaften der University of Minnesota.

    Solche Erkenntnisse stellen zahlreiche Vorstellungen über das Verhalten von Metallen der letzten Jahre infrage und belegen, dass die gezielte Steuerung von Elektrizität durch kontrollierte Lichtimpulse möglich ist. Dies eröffnet ganz neue Ansätze im Umgang mit Energie und Informationsverarbeitung auf kleinstem Raum.

    Elektrizität im Detail steuern
    Der bisherige Konsens in der Physik sah Metalle als ungeeignet an für solch präzise Steuerungsmechanismen, weil sie zu komplexe elektronische Eigenschaften besitzen. Das aktuelle Forschungsteam fand jedoch heraus, dass genau diese Komplexität, die sogenannte Bandverschachtelung. aktiv genutzt werden kann, um die ultraschnelle Antwort der Metalle gezielt in verschiedene Richtungen zu lenken. Dies führt dazu, dass die Eigenschaft des Materials, Elektrizität zu steuern, situationsabhängig angepasst werden kann.

    Neue Anwendungen in der Computertechnik, Datenspeicherung, Sensorik und Kommunikation könnten davon massiv profitieren. Besonders die Effizienz und Geschwindigkeit von Bauelementen ließe sich durch die gezielte Steuerung von Elektrizität deutlich verbessern. Tony Low, Mitautor und Professor für Elektro- und Computertechnik an der University of Minnesota, betont, dass die Ergebnisse tiefe Einblicke in die Art und Weise liefern, wie subtile strukturelle Verzerrungen die elektronische Struktur von Metallen verändern können. Dies könnte für zukünftige ultraschnelle und polarisationsempfindliche optoelektronische Technologien von entscheidender Bedeutung sein.

  • Durchbruch in der Quantencomputing-Technologie

    Durchbruch in der Quantencomputing-Technologie

    Quantencomputer könnten in naher Zukunft unser Verständnis von Problemlösungen und Berechnungen grundlegend verändern. Allerdings steht die Technologie noch vor einer entscheidenden Hürde – der Fehleranfälligkeit der Quantenbits, die zentrale Bausteine des Quantencomputers darstellen. Google hat nun mit seinem jüngsten Erfolg bei der Quantenfehlerkorrektur einen bedeutenden Meilenstein erreicht.

    Die Forscher des Quantum Artificial Intelligence Lab von Google haben es geschafft, 97 fehleranfällige Quantenbits zu einem logischen Quantenbit zu kombinieren, das eine deutlich geringere Fehlerrate aufweist. Dies ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu fehlertoleranten Quantencomputern, die zukünftig komplexe Berechnungen durchführen könnten.

    Herausforderungen der Quantenfehlerkorrektur
    Die grösste Herausforderung für Quantencomputer ist die hohe Wahrscheinlichkeit von Fehlern bei Rechenoperationen. In aktuellen Systemen liegt die Fehlerwahrscheinlichkeit je nach Operation zwischen 0,01 und 1 Prozent. Da Quantencomputer potenziell tausende Rechenschritte benötigen, bedeutet dies, dass die Möglichkeit für Fehler exponentiell steigt. Ohne effektive Fehlerkorrektur wären die Vorteile der Quantenrechner in der Praxis kaum nutzbar.

    Die Google-Forscher entwickelten eine Methode, bei der Quanteninformationen über mehrere Quantenbits verteilt werden. Messbits sorgen dabei für die Stabilität der Zustände, ohne die Informationen direkt zu verändern. Dieser redundante Ansatz, der auch bei klassischen Computern genutzt wird, führte zur Bildung eines robusteren logischen Quantenbits.

    Ein entscheidender Fortschritt – aber noch nicht das Ziel
    Google konnte durch Senkung der Fehlerrate bei einem 97-Quantenbit-System auf die Hälfte der Fehler eines 49-Quantenbit-Systems unter eine kritische Fehlerschwelle gelangen. Diese Fortschritte werden von Experten hoch bewertet und lassen sich mit den wegweisenden Ergebnissen von 2019 vergleichen, als Google erstmals demonstrierte, dass Quantencomputer herkömmliche Computer in bestimmten Aufgaben übertreffen können.

    Trotz dieser vielversprechenden Entwicklung steht die Quantenforschung noch vor gewaltigen Herausforderungen. Der nächste Schritt besteht darin, grundlegende Rechenoperationen mit den stabilisierten logischen Quantenbits durchzuführen. Langfristig sollen diese stabilen Bits verwendet werden, um komplexe und fehlertolerante Berechnungen zu ermöglichen.

    Fehlertolerante Quantencomputer und ihre Anwendung
    Obwohl die bisherigen Fortschritte beeindruckend sind, bleibt noch ein langer Weg, bis Quantencomputer in der Lage sind, wirklich komplizierte Probleme zu lösen. Es wird geschätzt, dass rund 1457 physische Quantenbits benötigt werden, um eine Fehlerrate von 1 zu 1.000.000 zu erreichen – eine Mindestvoraussetzung für die Lösung einfacher Probleme.

    Für komplexe Herausforderungen wie das Brechen moderner Verschlüsselungsverfahren sind sogar tausende logische Quantenbits erforderlich. Daher sind weitere Fortschritte in der Quantenfehlerkorrektur und effizientere Algorithmen dringend notwendig, um die benötigte Anzahl an physischen Quantenbits zu reduzieren.

    Ein klarer Weg vor uns
    Die aktuellen Ergebnisse von Google und anderen Forschungsgruppen bilden eine solide Basis für die Entwicklung der Quantencomputer der Zukunft. Zwar bleiben viele technische Hürden bestehen, aber durch die jüngsten Fortschritte wird das Ziel eines leistungsfähigen, fehlertoleranten Quantencomputers greifbarer. Ob und wie sich die Technologie in der Praxis etablieren wird, bleibt abzuwarten, doch die Perspektive ist jetzt klarer als je zuvor.