Одна из самых амбициозных целей нанотехнологий — создать квантовый компьютер. Такой компьютер, основанный на принципах квантовой механики, должен решать задачи намного эффективнее, чем классический компьютер. В то время как последний работает с битами, которые принимают значение нуля или единицы, квантовый компьютер использует так называемые квантовые биты, кратко называемые кубитами, как наименьшие вычислительные единицы. Они также могут принимать промежуточные значения.
Кубиты могут полагаться на ядерные спины, то есть собственные угловые моменты атомных ядер. Они ориентируются относительно магнитного поля вверх (вверх) или вниз (вниз).
Взаимосвязь кубитов друг с другом приводит к смешанным квантовым состояниям, на основе которых можно параллельно выполнять многие этапы вычислений.Чтобы интегрировать кубиты на основе ядерных спинов в электронные схемы и, в частности, запускать новые информационные процессы, необходимы определенные электрические манипуляции с ядерными спинами.
Группе ученых из KIT и Национального центра научных исследований (CNRS) в Гренобле и Страсбурге недавно впервые удалось манипулировать одиночным ядерным спином чисто электрическим способом. «Использование электрических полей вместо магнитных открывает путь к рассмотрению квантовых состояний в обычных электронных схемах», — объясняет профессор Марио Рубен, руководитель группы исследования молекулярных материалов Института нанотехнологий (INT) KIT. «Там квантовыми состояниями можно специально манипулировать с помощью так называемых токов смещения. Затем они могут быть непосредственно считаны электронным способом».Для своих экспериментов исследователи использовали ядерный спин-кубитовый транзистор, который состоит из одномолекулярного магнита, соединенного с тремя электродами (исток, сток и затвор). Одномолекулярный магнит — это молекула TbPc2 — одиночный металлический ион тербия, окруженный органическими молекулами фталоцианина из атомов углерода, азота и водорода.
Разрыв между электрическим полем и спином перекрывается так называемым сверхтонким эффектом Штарка, который преобразует электрическое поле в локальное магнитное поле. Этот процесс квантовой механики может быть перенесен на все ядерные спиновые системы и, следовательно, открывает совершенно новые перспективы для интеграции квантовых эффектов ядерных спинов в электронные схемы.