KIT-Forschung zu Quantentechnologien: Optische Kontrolle von Kernspins in Molekülen bietet neue Perspektiven

KIT-Forscher demonstrierten erstmals die optische Initialisierung und Detektion von Kernspins in einem Europium-basierten Molekülkristall – als potenziell besonders stabile Träger von Quanteninformation

[datensicherheit.de, 26.03.2026] Laut einer Meldung des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) vom 24. März 2026 hat ein KIT-Forschungsteam einen wichtigen Fortschritt in der Quantenphysik und in der Materialforschung erzielt: Demnach konnten erstmals Kernspins in einem molekularen Material optisch initialisiert, kontrolliert und ausgelesen werden – Kernspins gelten aufgrund ihrer geringen Wechselwirkung mit der Umgebung als besonders stabile Träger von Quanteninformation. Die vorliegenden Ergebnisse zeigten, dass molekulare Kernspins ein vielversprechender Baustein für zukünftige Quantentechnologien sein könnten.

Abbildung: © Jo Richers

Das Prinzip lt. KIT: Die Kernspins des zentralen Europium-Ions (grün) im Molekülkristall lassen sich durch Laserlicht (blau) und Radiofrequenz (lila) adressiert kontrollieren und auslesen

Mithilfe von Laserlicht lassen sich Kernspins in definierte Zustände überführen und dann optisch auslesen

Die Kernspinresonanz (Nuclear Magnetic Resonance / NMR) gilt als eine etablierte Analysemethode, um Materialien und Moleküle zu untersuchen: Sie reicht laut KIT von der chemischen Analyse bis hin zur Quanteninformationsverarbeitung.

• In einer aktuellen Studie hatten KIT-Forscher einen Molekülkristall, der Europium-Ionen enthält, untersucht. „Diese Ionen besitzen besonders schmale optische Übergänge, die einen direkten Zugang zu den Kernspinzuständen ermöglichen.“ Mithilfe von Laserlicht hätten sie die Kernspins zunächst in definierte Zustände überführen und diese anschließend optisch auslesen können.

Neben der optischen Adressierung setzten die Forscher Hochfrequenzfelder ein, um die Spins zu kontrollieren und vor störenden Einflüssen der Umgebung zu schützen. Dabei erreichten sie eine Kernspin-Quantenkohärenz mit einer Lebensdauer von bis zu zwei Millisekunden – „einem Zeitintervall, in der ein Quantensystem einen genau definierten quantenmechanischen Zustand beibehält“.

Bauelemente auf Basis von Kernspins als stabile Träger von Quanteninformation

„Die Ergebnisse zeigen, dass molekulare Materialien eine vielversprechende Plattform für zukünftige Quantenbauelemente sein können“, kommentiert Prof. Dr. David Hunger vom Physikalischen Institut des KIT.

• Er führt weiter aus: „Besonders vorteilhaft ist, dass wir die Kernspins hier ohne störende Elektronenspins adressieren können. Dadurch lassen sich künftig besonders stabile und dicht gepackte Qubit-Register realisieren.“

Die untersuchten Molekülkristalle haben Forscher laut KIT am „Institut für QuantenMaterialien und Technologien“ und am „Institut für Nanotechnologie“ in der Forschungsgruppe von Prof. Dr. Mario Ruben synthetisiert und umfassend hinsichtlich ihrer Eignung als Quantenplattform charakterisiert.

Entwicklung skalierbarer Quantencomputer: Maßgeschneiderte Moleküle für atomar präzise Qubits

Langfristig eröffneten optisch adressierbare Kernspins in Molekülen neue Perspektiven für die Entwicklung skalierbarer Quantencomputer. Molekulare Systeme ließen sich chemisch maßschneidern und könnten so atomar präzise Qubits ermöglichen.

• Mit der optisch detektierten Kernspinresonanz (ODNMR) seien zudem neue hochauflösende NMR-Methoden realisierbar, welche in Zukunft die detaillierte Untersuchung komplexer Materialien ermöglichten.

Die Forschungsergebnisse unterstrichen damit das große Potenzial molekularer Systeme für zukünftige Quantentechnologien und lieferten einen wichtigen Schritt hin zu optisch vernetzbaren Quantenverarbeitungssystemen.

Weitere Informationen zum Thema:

KIT Karlsruher Institut für Technologie
Science for Impact

KIT Karlsruher Institut für Technologie
Physikalisches Institut (PHI): Research Group Hunger / Cavity Quantum Optics

KIT Karlsruher Institut für Technologie
INT Research Unit Ruben – Prof. Dr. Mario Ruben

KIT Karlsruher Institut für Technologie
Institute of Nanotechnology

KIT Karlsruher Institut für Technologie
Institut für QuantenMaterialien und Technologien (IQMT)

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