Revolution in der Quantenphysik: Einzigartige Verschränkung von Molekülen geglückt

In der Welt der Quantenphysik hat ein Team der Princeton-Universität einen Meilenstein erreicht: die erfolgreiche Verschränkung einzelner Moleküle. Dieses Phänomen, das bisher als eine abstrakte Theorie galt, wurde erstmalig in der Praxis umgesetzt und könnte die Türen zu einer neuen Ära des Quantencomputings aufstoßen.

Mitglieder des Forschungsteams in Princeton. Von links nach rechts: Assistenzprofessor für Physik Lawrence Cheuk, Diplomstudent für Elektrotechnik Yukai Lu und Diplomstudent für Physik Connor Holland.

Foto von Richard Soden, Abteilung für Physik

Die Forschungsgruppe um Lawrence Cheuk, Assistenzprofessor der Physik, hat es nach sorgfältiger Laborarbeit geschafft, Moleküle in einen Zustand zu versetzen, in dem sie, obwohl räumlich getrennt, in einer tiefen quantenmechanischen Verbindung stehen. Diese Verschränkung, die einst von Albert Einstein als "spukhafte Fernwirkung" bezeichnet wurde, ermöglicht eine unmittelbare Wechselwirkung der Moleküle über beliebige Distanzen hinweg. Veröffentlicht wurden diese bahnbrechenden Ergebnisse im renommierten Journal "Science".

Diese Errungenschaft ist nicht nur aus theoretischer Sicht faszinierend, sondern birgt auch praktische Anwendungen. Quantencomputer, die komplexe Probleme wesentlich schneller lösen können als herkömmliche Rechner, sowie Quantensimulatoren und -sensoren, könnten von dieser Technologie profitieren. Connor Holland, Doktorand in der Physikabteilung und Mitautor der Studie, betont die praktische Relevanz: Quantenmechanische Gesetze könnten genutzt werden, um in vielen Bereichen signifikante Verbesserungen zu erzielen.

Die Herausforderung, kontrollierbare Quantenverschränkung zu erreichen, liegt in der Auswahl der richtigen physikalischen Plattform für die Erstellung von Qubits. Das Princeton-Team hat mit Molekülen gearbeitet, die sich aufgrund ihrer komplexen Quantenfreiheitsgrade und neuen Interaktionsmöglichkeiten als besonders geeignet erwiesen haben. Moleküle bieten gegenüber Atomen gewisse Vorteile für die Quanteninformationsverarbeitung und -simulation.

Durch innovative experimentelle Techniken haben Cheuk und sein Team die Moleküle mittels optischer Pinzetten manipuliert, sie in ultrakalten Temperaturen stabilisiert und schließlich in verschränkte Zustände überführt. Mit dieser Technik konnten sie zeigen, dass molekulare Qubits kohärent bleiben und für die Quantencomputertechnologie genutzt werden können.

Diese Entdeckung könnte die Untersuchung verschiedenster Bereiche der Quantenwissenschaft vorantreiben und neue Wege für die Simulation komplexer Quantensysteme eröffnen. Die Arbeit von Cheuks Team wurde von der Princeton-Universität, der National Science Foundation und der Sloan Foundation unterstützt.

Quelle: “On-demand entanglement of molecules in a reconfigurable optical tweezer array” by Connor M. Holland, Yukai Lu and Lawrence W. Cheuk

DOI: 10.1126/science.adf4272

Die Arbeit wird durch die Princeton University, die National Science Foundation (Grant No. 2207518), und die Sloan Foundation unterstützt (Grant No. FG-2022-19104).