Quantentechnologie: völlig neue Möglichkeiten dank organischer Moleküle

Heute ist es problemlos möglich, maßgeschneiderte, auf Kohlenstoff basierende Verbindungen mit unterschiedlichsten Eigenschaften herzustellen. Das eröffnet der Quantentechnologie spannende neue Einsatzgebiete, etwa bei optischen Computern – wie ein Übersichtsartikel von 16 Autoren aus sieben Nationen im Fachmagazin Nature Materials zeigt.

Seit über einem Jahrhundert stellt die Quantenmechanik Physiker*innen und Philosophen*innen auf der ganzen Welt vor Rätsel. Die Quantenteleportation oder Einsteins berühmte "spukhafte Fernwirkung" sind nur zwei Beispiele nicht-intuitiver Effekte, die diese Theorie hervorgesagt und damit gleichzeitig die Gesetze der Physik revolutioniert hat. In den vergangenen Jahrzehnten hat sie sich zu einem bewährten Rüstzeug entwickelt, mit dem sich so verschiedene Phänomene wie Kernreaktionen bei hohen Energien bis hin zu Licht-Materie-Wechselwirkungen im Nanometerbereich beschreiben lassen. Über die Physik hinaus wird sie heute als Grundlage für bahnbrechende Technologien in den Informationswissenschaften und bei Hochpräzisionsmessungen gefeiert, ablesbar an den enormen Investitionen, die weltweit auf diesem Gebiet getätigt werden.

Doch was sind die idealen Materialplattformen für derartige Technologien? Sowohl für Investoren aber auch für Forscher*innen und Ingenieur*innen ist diese Frage noch offen. Wir wissen, dass organische Materialen die Grundlage für Leben auf der Erde bilden – und dass sie eine wichtige Rolle für moderne Technologien wie Flachbildschirme oder Solarzellen spielen.

Der Übersichtsartikel im Fachjournal Nature Materials diskutiert den Einfluss organischer Moleküle auf die Quantentechnologie als Resultat von über 20 Jahren aktiver Forschung. Die 16 Autoren, Wissenschaftler*innen aus sieben Ländern, analysieren die engen Synergien zwischen Molekülen und Lichtteilchen, den Photonen. Die jüngsten Fortschritte in der Kontrolle dieser Wechselwirkung auf Ebene einzelner Quanten sind der Schlüssel zum optischen Auslesen der Ladung eines einzelnen Elektrons oder ein einzelnen mechanischen Schwingungsquants. Erzeugt ein einzelnes organisches Molekül Photonen, so kann in diesen abhörsicher Information encodiert und über weite Distanzen geschickt werden.

Die extreme Vielseitigkeit und Skalierbarkeit organischer Synthesen, durch die günstig ein weites Spektrum an Eigenschaften zur Verfügung steht, ermöglicht eine neuartige und flexible Art der Herstellung hybrider Quanten-Bauteile. Die Autoren halten beispielsweise hybride optische Netzwerke auf Mikrochips für möglich, die Licht statt Elektrizität verwenden, und in denen Photonen und Moleküle gemeinsam Berechnungen ausführen können, die für klassische Computer schwierig sind.

Ausgehend von diesen Vorarbeiten eröffnet die Nutzung organischer Moleküle in der Quantentechnologie spannende neue Perspektiven – und wird mit Sicherheit zu neuen Druchbrüchen führen.

Originalpublikation:

Toninelli, C., I. Gerhardt, A. S. Clark, A. Reserbat-Plantey, S. Götzinger, Z. Ristanović, M. Colautti, P. Lombardi, K. D. Major, I. Deperasińska, W. H. Pernice, F. H. L. Koppens, B. Kozankiewicz, A. Gourdon, V. Sandoghdar & M. Orrit: Single organic molecules for photonic quantum technologiesNat. Mater. (2021). https://doi.org/10.1038/s41563-021-00987-4

Informationen für Journalist*innen:

Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts
Lothar Kuhn
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