Noch Kältere Moleküle in Kryokristallen

Zukünftige Quantencomputer versprechen die Lösung wichtiger Probleme, die für heutige klassische Rechner unerreichbar sind, wie etwa die Entwicklung neuer Materialien oder die Simulation komplexer chemischer Reaktionen. Der Bau eines großen und zuverlässigen Quantencomputers bleibt jedoch eine Herausforderung, da jedes einzelne physikalische Quantensystem seine eigenen Vor- und Nachteile besitzt. Ein vielversprechender Ansatz ist die Kombination verschiedener Quantensysteme zu einer einzigen Hybrid-Plattform. Dabei liefert eine Komponente langlebige Quantenzustände, während eine andere eine schnelle und präzise Steuerung ermöglicht. Dieses Projekt entwickelt eine neuartige Hybrid-Plattform, basierend auf polaren Molekülen in einem sehr kalten Festkörper aus Edelgasen, einem sogenannten Kryokristall. Diese Kryokristalle können direkt auf supraleitende Mikrowellenschaltungen aufgebracht werden, eine Schlüsseltechnologie des modernen Quantencomputings. Polare Moleküle sind attraktiv, da sie stark mit Mikrowellenfeldern wechselwirken und so eine schnelle Steuerung und Auslesung ermöglichen. Die größte Herausforderung besteht darin, die Moleküle nahe genug an die supraleitende Schaltung zu platzieren und sie ausreichend zu kühlen, damit sie während der Experimente in ihren niedrigsten Energiezuständen verbleiben. Unser Team hat bereits gezeigt, dass Kryokristalle atomare Verunreinigungen in der Nähe supraleitender Resonatoren aufnehmen können und Ammoniakmoleküle erfolgreich in Neon-Kristalle eingebettet werden. Der nächste Schritt ist die Verwendung von partiell deuterierten Ammoniakmolekülen, deren Mikrowellenübergänge im Standardfrequenzbereich supraleitender Quantenprozessoren liegen. Dies ermöglicht eine bessere Kompatibilität mit bestehender Quantenhardware und reduziert das thermische Rauschen. Im Rahmen des Projekts wird eine neue Kryokristall-Abscheidungsanlage in einem Verdünnungskryostaten, dem in den meisten Laboren für supraleitendes Quantencomputing verwendeten Kryosystem, aufgebaut und kalibriert. Dadurch können Kryokristalle und eingebettete Moleküle kontinuierlich auf ultratiefe Temperaturen gekühlt werden, was Stabilität und Leistung verbessert. Supraleitende Mikrowellenresonatoren werden speziell entwickelt und gefertigt, um die Wechselwirkung mit einzelnen Molekülen zu maximieren. Mithilfe von Spektroskopie und zeitaufgelösten Mikrowellenmessungen wird das Projekt quantifizieren, wie lange molekulare Quantenzustände bestehen bleiben und wie gut sie kontrolliert werden können. Abschließend werden grundlegende Qubit-Operationen an einem einzelnen Molekül demonstriert und die Genauigkeit dieser Operationen mit etablierten Benchmark-Methoden evaluiert. Durch die gezielte Steuerung einzelner Moleküle in Kryokristallen schafft das Projekt die Grundlage für molekulare Quantenbits, die sich in skalierbare supraleitende Technologien integrieren lassen. Dieser Ansatz eröffnet neue Wege im Quantencomputing und bei langlebigen Quantenspeichern.