In der heutigen Gesellschaft besteht der Trend, alles zu automatisieren, was von Computern gesteuert werden kann. Und diese Umstellung soll in der kürzest möglichen Zeit erfolgen. Dementsprechend sind Computer aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken. Computer werden ständig weiterentwickelt und in ihrer Leistung gesteigert. Dieser stetigen Entwicklung sind jedoch Grenzen gesetzt, weshalb Wissenschaftler nach einer komplett neuen Generation von Computern suchen. Der Quantencomputer könnte diese neue Art von Computergeneration darstellen. Das Konzept eines Quantencomputers ist klar formuliert, und die prinzipielle Funktionsweise ist weitestgehend erforscht; dennoch hat sich die physikalische Realisierung solch eines Quantencomputers als sehr schwierig und aufwändig herausgestellt. Da die Leistungsfähigkeit eines Quantencomputers – zumindest bei einigen Aufgabenstellungen – jegliche Form von klassischen Computern bei weitem übertrifft, ist die Erforschung von physikalischen Realisierungen des Quantencomputer-Konzeptes diesen immensen Aufwand wert. Die Kernmagnetresonanzspektroskopie („Nuclear Magnetic Resonance“, NMR) ist eine vielversprechende Methode, einen Quantencomputer zu realisieren. Dafür ist es notwendig, sowohl die „Software“ (Quantenalgorithmen), als auch die „Hardware“ (das Molekül) speziell für die Realisierung mittels NMR zu optimieren. Insbesondere das Design, die Synthese und die Charakterisierung eines für das NMR-Quantenrechnen sehr gut geeigneten Moleküls sind hierbei besonders anspruchsvolle Aufgaben.
Im Zusammenhang mit dem Spinketten-Konzept wurde ein 13-Quantenbit (13-Qubit) beinhaltendes Molekül entwickelt: 13C-markiertes 12-Fluordodecanal. Unter Verwendung dieser „Hardware“ sollten sowohl Quantenzustand-Spiegelexperimente, als auch der effiziente Polarisationstransfer entlang von Spinketten demonstriert werden. Sowohl komplexe Signalüberlappungen in den entsprechenden NMR-Spektren, als auch die Anwesenheit von starker Kopplung zwischen einigen Spins der Kette verhinderten die direkte Verwendung des synthetisierten Moleküls für die geplanten Quantencomputer-Experimente. Deshalb wurden Lanthanid-Shiftreagenzien eingesetzt, um die chemischen Verschiebungen der einzelnen Spins zu verändern. Die entsprechenden Versuche wurden mit unmarkierten Substanzen durchgeführt: 12-Fluordecanal und 12-(Triphenylmethoxy)-dodecan-1-ol.
Neben dem Design und der Synthese von Molekülen, die für Spinketten-Quantencomputer-Experimente eingesetzt werden können, wurden auch Relaxationszeiten von kleinen Molekülen in verschiedenen niedrigviskosen Lösemitteln untersucht: Es wurden sowohl longitudinale (T1) als auch transversale (T2) Relaxationszeiten für eine Vielzahl von Substanzen gemessen. Als extrem niedrigviskoses Lösemittel wurde superkritisches Kohlenstoffdioxid (SC CO2) ausgewählt. Die Relaxationszeiten darin gelöster Substanzen wurden gemessen und mit den Relaxationszeiten verglichen, die sich ergeben, wenn dieselben Substanzen in häufig verwendeten niedrigviskosen NMR-Lösemitteln gelöst werden. Ziel dieses Vergleiches war es, Substanzen zu finden, die in superkritischem Kohlenstoffdioxid erheblich längere T2-Relaxationszeiten aufweisen, als in üblichen NMR-Lösemitteln. Quantencomputer-Experimente mit besonders langen Pulssequenzen, bei denen eine ausreichend lange T2-Relaxationszeit von entscheidender Bedeutung ist, sollten anschließend implementiert werden. Es wurden jedoch nur wenige Substanzen gefunden, bei denen das superkritische Kohlenstoffdioxid zu längeren T2-Relaxationszeiten geführt hat; und die Erhöhung von T2 war in diesen Fällen auch nicht sehr markant.
Schlussendlich wurde noch ein besonders gut geeignetes 3-Qubit-Molekül designt und synthetisiert: 2-13C-markierter 2-Fluor-malonsäure-diethylester. Mit Hilfe dieser „Hardware“ wurde der komplette Quantenalgorithmus für die Evaluation des Jones Polynoms implementiert. Der resultierende 3-Qubit-Quantencomputer war in der Lage, das Jones Polynom des Links 6.2.3 an einer Vielzahl von Stellen des Definitionsbereiches auszuwerten. Dabei ergab sich ein exponentieller Geschwindigkeitsvorteil gegenüber klassischen Computern. Die entsprechenden experimentellen Ergebnisse stimmten sowohl mit den theoretischen Werten als auch mit den Simulationsergebnissen sehr gut überein.
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In der heutigen Gesellschaft besteht der Trend, alles zu automatisieren, was von Computern gesteuert werden kann. Und diese Umstellung soll in der kürzest möglichen Zeit erfolgen. Dementsprechend sind Computer aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken. Computer werden ständig weiterentwickelt und in ihrer Leistung gesteigert. Dieser stetigen Entwicklung sind jedoch Grenzen gesetzt, weshalb Wissenschaftler nach einer komplett neuen Generation von Computern suchen. Der Quantencomputer könnte diese...
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