Von Quantenphysik zu molekularer Quantentechnologie/Trendbericht Physikalische Chemie 2026 3/3

Molekulare Qubits und Qudits sind mögliche Bausteine für Quantencomputer oder Sensoren, die sich flexibel entwerfen lassen – Hürden gibt es jedoch weiterhin.

Von Quantenphysik zu molekularer Quantentechnologie

Die zentralen Konzepte der Quantenmechanik¹⁾ sind Superposition, Verschränkung, der Tunneleffekt und diskrete Energieniveaus (Quantisierung). Im Quantencomputing ermöglichen Superposition und Verschränkung neue Ansätze der Informationsverarbeitung (Abbildung unten). Dies ist möglich, da Teilchen – sogenannte Quantenbits (Qubits)²⁾ – nicht nur die Zustände 0 oder 1 annehmen können, sondern in einer Überlagerung (Englisch: superposition) beider Zustände existieren. Aus dieser Eigenschaft, kombiniert mit quantenmechanischer Interferenz, resultiert die enorme Rechengeschwindigkeit von Quantencomputern. Allerdings bestehen weiterhin materialspezifische Herausforderungen, die sich aus verschiedenen Rausch- und Dissipationsquellen in den Materialsystemen ergeben.³⁾

Zu den heute dominierenden Hardwareplattformen für die Quanteninformationsverarbeitung⁴⁾ zählen supraleitende Qubits auf Basis von Josephson-Kontakten, gatterdefinierte Quantenpunkte (quantum dots, QDs) aus Materialien wie Silicium oder GaAs sowie Farbzentren in Festkörpern, insbesondere optisch aktive Stickstoff-Fehlstellen-Zentren (NV-Zentren) in Diamant (Abbildung unten). Weitere vielversprechende Ansätze beruhen auf neutralen Atomen (beispielsweise Rubidium, Strontium oder Ytterbium) oder einzeln gefangenen Ionen (etwa ¹⁷¹Yb⁺), die als Qubits genutzt werden.⁵⁾

Mit Quantensensorik lassen sich magnetische und elektrische Felder, Temperatur, Druck oder chemische Umgebungen mit extrem hoher Präzision messen. Besonders vielversprechend sind dabei Diamanten mit künstlich erzeugten Defekten im Kristallgitter, etwa NV-Zentren.⁶⁾ Diese fungieren als hochempfindliche Quantensensoren, die selbst bei Raumtemperatur betrieben werden können und beispielsweise Anwendungen in der Magnetresonanzspektroskopie und der medizinischen Bildgebung ermöglichen.⁷⁾

Im Quantencomputing erlauben NV-Zentren die optische Initialisierung, Manipulation und Auslese einzelner Quantenzustände. Darüber hinaus können sie lokale magnetische Fluktuationen, Spin-Wechselwirkungen und Dekohärenzprozesse nanoskalig detektieren und eignen sich damit für Quantenmetrologie und Fehlerdiagnostik in Quantenprozessoren.⁸⁾

In der Quantenkommunikation⁹⁾ und bei quantenkryptografischen Verfahren¹⁰⁾ macht man sich insbesondere verschränkte Zustände zunutze. Dabei bleiben zwei Teilchen über weite Distanzen so miteinander verbunden, dass die Messung des einen augenblicklich den Zustand des anderen bestimmt. So lassen sich verschlüsselte Kommunikationsprotokolle realisieren, mit denen sich sicher Informationen übertragen oder Abhörversuche sofort erkennen lassen. Hierbei kommen häufig Halbleiter-Quantenpunkte¹¹⁾ – etwa InAs/GaAs – als Einzelphotonenquellen zum Einsatz, um Informationen in Lichtteilchen (photonischen Qubits) zu kodieren und zu übertragen.¹²⁾

Die praktische Umsetzung all dieser Quantentechnologien beruht auf spezifischen quantenmechanischen Effekten, die erst auf der Nanoskala nutzbar werden. Eines der grundlegendsten Konzepte hierfür ist das Quantentunneln.

Quantentunneln

Beim Quantentunneln¹³⁾ können Elektronen Energiebarrieren durchdringen, die sie nach den Gesetzen der klassischen Physik nicht überwinden dürften. Die Wahrscheinlichkeit dieses Tunnelprozesses hängt wesentlich von der Höhe und Breite der Energiebarriere ab.

Ein wichtiges Werkzeug, das diesen Effekt nutzt, ist das Rastertunnelmikroskop (scanning tunneling microscope, STM).¹⁴⁾ Es ermöglicht nicht nur die Abbildung, sondern auch die gezielte Manipulation von Oberflächen auf atomarer Skala und macht einzelne Atome sowie Moleküle im Subnanometerbereich sichtbar. Grundlage dafür ist die Kombination aus quantenmechanischem Tunneln und hochpräziser piezoelektrischer Positionierung. Für die Entwicklung des STM erhielten Gerd Binnig und Heinrich Rohrer vom IBM-Forschungslabor in Rüschlikon bei Zürich 1986 den Nobelpreis für Physik.

Der Schlüssel zum Verständnis dieser atomaren Systeme liegt in ihrer energetischen Struktur.

Quantisierung

Quantensysteme, die mit dem STM untersucht werden, sind durch diskrete Energieniveaus charakterisiert. Die spezifische Anordnung dieser Energieniveaus bestimmt die elektronischen, optischen und magnetischen Eigenschaften eines Atoms oder Moleküls. Diese energetische Struktur hängt von der Größe und Dimensionalität der Systeme ab und bestimmt deren Quanteneigenschaften. Wird ein dreidimensionaler (3-D) Halbleiterkristall schrittweise verkleinert – über 2-D- und 1-D-Nanostrukturen (quantum wells und quantum wires/nanorods) bis hin zu 0-D-Quantenpunkten sowie einzelnen Atomen oder Ionen –, verändert sich die elektronische Zustandsdichte (density of states, DOS) grundlegend. Dabei gehen die nahezu kontinuierlichen Energiebänder des Festkörpers zunehmend in diskrete Energieniveaus über, denen jeweils spezifische quantenmechanische Eigenzustände zugeordnet sind.¹⁵⁾

Herausforderungen kommerzieller Quantencomputer

Die Entwicklung kommerzieller Quantencomputer wird heute maßgeblich von großen Technologieunternehmen wie IBM, Google und Intel vorangetrieben. Einen frühen Meilenstein setzte bereits 2011 das kanadische Unternehmen D-Wave Systems mit der ersten kommerziell verfügbaren Quantenhardware.¹⁶⁾

Ein zentraler technischer und energetischer Aufwand heutiger Quantencomputer auf Basis supraleitender Qubits liegt im Betrieb bei extrem niedrigen Temperaturen.¹⁷⁾ Die Prozessoren werden typischerweise auf etwa 10 bis 20 mK (Millikelvin) gekühlt. In diesem Temperaturbereich lassen sich thermische Störungen weitgehend unterdrücken, sodass die empfindlichen Quantenzustände und deren Kohärenz erhalten bleiben. Steigt die Temperatur hingegen an, nehmen thermische Anregungen und Wechselwirkungen mit der Umgebung zu, was zur Dekohärenz und damit zum Verlust der gespeicherten Quanteninformation führen kann.

Neben der Kühlung bleibt auch die Skalierbarkeit der Systeme eine große Herausforderung.¹⁸⁾ Für praktisch nutzbare, fehlertolerante Quantencomputer müssen künftig deutlich mehr Qubits integriert werden als derzeit technologisch realisierbar ist. Dabei geht es nicht nur darum, eine größere Anzahl von Qubits auf einem Chip zu integrieren, sondern diese auch präzise zu steuern, miteinander zu verschalten und gleichzeitig störungsfrei zu betreiben. Mit zunehmender Qubit-Zahl steigen insbesondere die Anforderungen an Fehlerkorrektur, Signalsteuerung sowie thermisches und elektromagnetisches Management.¹⁹⁾

Quantenstrategie und Umsetzung in Deutschland

In Deutschland fördert die Hightech-Agenda der Bundesregierung²⁰⁾ im Rahmen einer veröffentlichten Roadmap für Quantentechnologien gezielt die Entwicklung fehlerkorrigierter Quantencomputer, leistungsfähiger Quantensensoren sowie sicherer Quantenkommunikationssysteme. Parallel dazu soll der Ausbau von Forschung und Fachkräfteausbildung die technologische Wettbewerbsfähigkeit Deutschlands bis zum Zieljahr 2030 nachhaltig stärken.

Einen strukturellen Beitrag zur Umsetzung dieser Ziele leisten regionale Forschungsnetzwerke wie das Sächsische Forschungsnetzwerk für Quantentechnologien (SAX-QT), das Kompetenzen aus Wissenschaft und Industrie bündelt und die Entwicklung in den Bereichen Quantenmaterialien, Quantensensorik, Quantencomputing und Quanteninformatik koordiniert.²¹⁾

Ein konkretes Beispiel für die deutsche Quantenforschung liefert das Leipziger Unternehmen SaxonQ, eine Ausgründung der Universität Leipzig. Das Unternehmen entwickelt mobile und skalierbare Multi-Core-Quantencomputer auf Basis von NV-Zentren in Diamant. Ziel ist die Entwicklung kompakter, modularer Quantenprozessoren, die ohne aufwendige Kryokühlung auskommen und dadurch besonders für praktische Anwendungen in realen Einsatzumgebungen geeignet sind.²²⁾

Quantenhardware in der Molekülforschung

Wie relevant die Entwicklungen in der Quantentechnologie für die Praxis sind, zeigt sich in Kooperationen zwischen Quantenhardware-Entwicklern und industriellen Anwendern, insbesondere aus der Chemiebranche.

Beispielsweise kooperieren seit 2024 PsiQuantum (ein US-amerikanisches Unternehmen aus Palo Alto, Kalifornien) sowie die Mitsubishi UFJ Financial Group und die Mitsubishi Chemical Group (japanische Unternehmen aus Tokio). Zusammen wollen sie angeregte Zustände photochromer Moleküle auf fehlertoleranten Quantencomputern simulieren und beschreiben. Solche lichtaktiven Moleküle eignen sich möglicherweise für energieeffiziente Datenspeicher, Smart Windows – intelligente Fenster, die ihre Tönung je nach Lichteinfall selbstständig anpassen, – oder neuartige Solarenergiespeicher.²³⁾

Parallel dazu etabliert sich die Kombination aus hochauflösender Rastersondenmikroskopie und quantenhardwarebasierten quantenchemischen Rechnungen als neuer Forschungsansatz für komplexe molekulare Quantensysteme. Ausgehend vom Präkursormolekül C₁₃Cl₁₀ wurden durch Atommanipulation auf NaCl-Oberflächen bei kryogenen Temperaturen Stereoisomere von C₁₃Cl₂ synthetisiert, deren enantiomere Singulett-Geometrien mittels Rasterkraftmikroskopie (AFM) aufgelöst und deren helikale Orbitaldichten per STM kartiert wurden.²⁴⁾ Die Simulationen wurden mit speziellen Algorithmen auf IBM-Quantenhardware durchgeführt (Abbildung oben).

Molekulare Quantensysteme

Im Gegensatz zu etablierten Quantenhardware-Plattformen mit hohem Technologiereifegrad (TRL)²⁵⁾ befinden sich molekularbasierte Quantentechnologien noch in einer frühen Entwicklungsphase. Ihre quantenmechanischen Eigenschaften resultieren direkt aus chemisch definierten Molekül- und Materialstrukturen. Durch gezieltes molekulares Design lassen sich ladungs- und spinbasierte Eigenschaften prinzipiell kontrollieren und anpassen.²⁶⁾ Gleichzeitig weisen solche Systeme jedoch eine hohe Empfindlichkeit gegenüber Oberflächen- und Umgebungseinflüssen auf, was insbesondere die Stabilität der Ladungszustände und die Spin-Kohärenz beeinträchtigen kann und damit die kontrollierte Manipulation von Quantenzuständen erschwert.

Einzelmolekülmagnete (single molecule magnets, SMMs) sind molekulare Spinsysteme mit quantisierten Spin-Zuständen, langsamer Magnetisierungsrelaxation und Quantentunneln der Magnetisierung (Abbildung rechts). Durch ihre hohe chemische Variabilität lassen sich ihre quantenmechanischen Eigenschaften gezielt auf atomarer Ebene anpassen. Je nach molekularem Design können SMMs kontrollierbare Multilevel-Spinzustände (Qudits) realisieren und damit zusätzliche Freiheitsgrade für Quanteninformations- und Quantensensorik-Anwendungen bereitstellen.²⁷⁾

Molekulare Quantenmagnete lassen sich grundsätzlich in elektronische Spin-Qubits und kernspinbasierte molekulare Qubits unterteilen. Während elektronische Spins primär der Adressierung und Auslese dienen, ermöglichen langkohärente Kernspin-Zustände die Speicherung und Verarbeitung von Quanteninformation auf molekularer Ebene.²⁸⁾

Ein zentraler Vorteil von Qudit-Systemen liegt in der Nutzung des erweiterten Hilbertraums,²⁹⁾ wodurch Quantenoperationen innerhalb eines einzelnen Multilevel-Systems realisiert werden können. Dies kann die Anzahl notwendiger nichtlokaler Operationen reduzieren und eine parallele Informationsverarbeitung innerhalb einzelner molekularer Einheiten ermöglichen.³⁰⁾

Gleichzeitig bleibt die Integration molekularer Quantensysteme in funktionale Bauelemente eine zentrale Herausforderung. Entscheidend sind kontrollierte Oberflächenabscheidung,³¹⁾ stabile Initialisierung sowie nanoskalige Manipulation und Auslese unter realistischen Betriebsbedingungen, idealerweise bis hin zur Raumtemperatur.

Aktuelle Fortschritte zeigen, dass molekulare Spin-Qubits kontrolliert auf Oberflächen abgeschieden werden können, ohne ihre magnetischen Eigenschaften durch das Substrat wesentlich zu beeinträchtigen. Im Zentrum steht dabei der heterobimetallische Laternenkomplex [PtVO(SOCPh)₄] mit einem paramagnetischen Vanadyl-Spinzentrum (VO²⁺), das durch eine quadratisch-planare PtS₄-Einheit räumlich und elektronisch vom Substrat abgeschirmt wird. Mittels Electrospray-Deposition wurde eine definierte Submonolage auf hochgeordnetem pyrolytischem Graphit (HOPG) erzeugt. Oberflächenanalysen sowie synchrotronbasierte spektroskopische Untersuchungen zeigen, dass sowohl die molekulare Struktur als auch die magnetische Isolation des Vanadyl-Zentrums nach der Deposition erhalten bleiben.³²⁾

Die Kopplung von SMMs, etwa der kobaltbasierten Verbindung (HNEt₃)₂[Co^II(L^2–)₂] mit dem Liganden 1,2-Bis(methansulfonamido)benzol (L), an diamantbasierte NV-Zentren wurde sowohl bei Raumtemperatur als auch bei tiefen Temperaturen (296 K und 5 – 8 K) untersucht.³³⁾ Hierbei zeigten sich deutliche Veränderungen der Relaxations- und Dekohärenzzeiten, die mit dem magnetischen Fluktuationsverhalten der SMMs in Zusammenhang stehen (Abbildung S. 73).

Des Weiteren wurde mit Di([1,1’-Biphenyl]-4-yl)carben die optische Kontrolle einzelner molekularer Qubits demonstriert.³⁴⁾ Der Triplett-Grundzustand bildet dabei ein kohärentes Zwei-Niveau-System mit spinselektiven optischen Übergängen und Einzelmolekül-Adressierbarkeit. Bei 4,5 K wurden Kohärenzzeiten im Millisekundenbereich sowie Spinrelaxationszeiten von mehreren zehn Millisekunden erreicht. Dies unterstreicht das Potenzial molekularer Qubits für Einzel-Emitter-Quantenoptik und photonische Quantennetzwerke.

Den konzeptionellen Höhepunkt molekularer Quantentechnologien bilden hybride Spin-Quantenarchitekturen, in denen molekulare Nanomagnete als Qudits mit supraleitenden Resonatoren oder Halbleiter-Spinqubits gekoppelt werden. So konnte jüngst gezeigt werden, dass das molekulare Qudit TbPc₂ mit industriell gefertigten siliciumbasierten Metall-Oxid-Halbleiter(SiMOS)-Spinqubits hybridisiert und über diese ausgelesen werden kann.³⁵⁾ Die Kombination aus langen Kohärenzzeiten, multileveliger Spinstruktur und chemischer Reproduzierbarkeit macht solche Systeme zu aussichtsreichen Quantenspeichern für skalierbare Quantenarchitekturen.

Darüber hinaus stellen optisch adressierbare Spin-Qubits in fluoreszierenden Proteinen, insbesondere im enhanced yellow fluorescent protein (EYFP), einen neuartigen Ansatz dar, der Quanteninformationswissenschaft mit Bioingenieurwesen verbindet. Dabei dient der metastabile Triplettzustand des Chromophors als Qubit. Auf dieser Grundlage konnten erstmals genetisch kodierbare Quantensensoren auf molekularer Skala realisiert werden, die in lebenden Zellen exprimiert sowie mit optisch detektierter Magnetresonanz kohärent kontrolliert und ausgelesen werden können.³⁶⁾ Das fluoreszierende, proteinbasierte Qubitsystem eröffnet damit Perspektiven für nanoskalige Magnetfeldsensorik und spinbasierte Bildgebungsverfahren in biologischen Systemen.

Fazit und Ausblick

Seit der erfolgreichen Überführung grundlegender Konzepte der Molekularelektronik in erste kommerzielle Anwendungen – beispielsweise den seit 2017 verfügbaren Heisenberg Molecular Overdrive,³⁷⁾ der quantenmechanisches Tunneln in Audio-Verzerrerschaltungen nutzt, – gewinnt die Forschung an molekülbasierten Konzepten zur Speicherung und Verarbeitung von Quanteninformation zunehmend an Bedeutung.³⁸⁾

Multilevel-schaltbare Quantensysteme auf Basis einzelner Moleküle oder molekularer Cluster eröffnen hierbei neue Perspektiven für die Quanteninformationsverarbeitung. Insbesondere hybride und multimodale Ansätze,³⁹⁾ etwa quanten-neuromorphe molekulare Systeme,⁴⁰⁾ schaffen potenzielle Schnittstellen zu systemwissenschaftlichen Disziplinen wie Neurobiologie, Biophysik und Systembiologie.

Für die kommenden Jahre werden wesentliche Fortschritte im Bereich der Quantenmaterialien erwartet,⁴¹⁾ wobei molekulare Spinsysteme eine zentrale Rolle einnehmen dürften. Ein Beispiel hierfür ist der seit 2023 von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderte Sonderforschungsbereich/Transregio HYP*MOL,⁴²⁾ der sich mit Hyperpolarisierung, Spintransport und spinabhängigen Prozessen in molekularen Systemen beschäftigt und Herausforderungen in Magnetresonanz, Spintronik und Quantensensorik adressiert.

Molekularbasierte Qubits und Qudits sowie hybride Quantensensoren besitzen das Potenzial, die Funktionalität und Skalierbarkeit heutiger festkörperbasierter Quantensysteme gezielt zu erweitern. Stabilität, Reproduzierbarkeit und Integrationsfähigkeit in etablierte Complementary-metal-oxide-semiconductor(CMOS)-Fertigungsprozesse bleiben weiterhin zentrale Herausforderungen. Ihre Bewältigung erfordert Fortschritte im Quantenengineering sowie in mikro- und nanotechnologischen Fertigungsverfahren.

Langfristig wird es entscheidend sein, die Technologieoffenheit zu stärken und die Schnittstellen zwischen Chemie, Materialwissenschaft, Oberflächenphysik, Nanotechnologie, Quantenengineering und industrieller Quantentechnologie gezielt auszubauen. Um die Anschlussfähigkeit an zukünftige Schlüsseltechnologien zu sichern und den Übergang von Laborprototypen zu industriell skalierbaren Prozessen zu beschleunigen, könnten bestehende und im Ausbau befindliche Reinräume, Pilotlinien und Testinfrastrukturen bis 2040 gezielt um Verfahren zur Nanofabrikation und zum Packaging molekülbasierter Quantenchips erweitert werden. Dieser langfristige Entwicklungshorizont steht im Einklang mit der Roadmap der Japan Society of Applied Physics,⁴³⁾ die perspektivisch eine zunehmende Konvergenz siliciumbasierter Technologien mit molekularen Architekturen prognostiziert.

Drei Fragen an den Autor: Kirill Monakhov

Ihre Forschung in 140 Zeichen?

Wir designen molekulare Verbindungen und entwickeln programmierbare Oberflächen: intelligente Bausteine für die Schlüsseltechnologien von morgen.

Welche Methode wurde in den letzten zwölf Monaten vermehrt genutzt, die auch Sie für Ihre Forschung brauchen?

Die elektrochemische Rasterzellmikroskopie (SECCM) erlaubt die ortsaufgelöste Korrelation von Oberflächentopographie und lokaler elektrochemischer Aktivität und lässt sich mit weiteren analytischen Verfahren koppeln.

Was sind derzeit Ihre Hauptforschungsprojekte?

In Zusammenarbeit mit nationalen und internationalen Partnern untersucht meine Gruppe die elektrische Kontaktierung und Integration multilevel-schaltbarer Polyoxovanadate in Bauelemente für nichtkonventionelle Rechnerarchitekturen. Darüber hinaus werden die quantenmechanischen Eigenschaften dieser molekularen Oxide zur Entwicklung hochsensitiver Sonden- und Biosensorsysteme für die Präzisionsdiagnostik genutzt.

Kirill Monakhov leitet seit 2018 die Gruppe „Schaltbare molekular funktionalisierte Oberflächen“ am IOM in Leipzig. Zuvor arbeitete er als Emmy-Noether-Gruppenleiter an der RWTH Aachen und als Postdoktorand an der Universität Straßburg. Im Jahr 2010 promovierte er an der Universität Heidelberg. 2025 erhielt er eine Gastprofessur an der University of Warwick.

2025: Jahr der Quantenphysik

Quantentechnologien basieren auf der Quantenmechanik, die sich grundlegend von der klassischen Physik unterscheidet. Die Quantenmechanik vereint die Eigenschaften von Teilchen und Wellen, anstatt lediglich Teilchen zu betrachten. Das Jahr 2025 wurde von den Vereinten Nationen zum Internationalen Jahr der Quantenphysik erklärt. Derzeit feiern wir den hundertsten Jahrestag der mathematischen Formulierung der Quantenmechanik durch Heisenberg, Born und Jordan (Matrixmechanik, 1925) und Schrödinger (Wellenmechanik, 1926).

Nobelpreise: Grundlagen der Quantentechnologie

Künftige Informations-, Kommunikations- und Sensortechnologien werden an den Nobelpreisen zur Quantenphysik nicht vorbeikommen. Auf Basis dieser Durchbrüche können wir heute konkrete technische Anwendungen entwickeln. Um die Lücke zwischen Laborphysik und einsatzfähiger Technik zu schließen, lernten Forschende zunächst, die kleinsten Bausteine der Natur zu bändigen – darunter Elektronen (mit Eigenschaften wie Masse, Ladung und Spin) sowie masselose Photonen.

Jahrzehntelange Forschung ebnete den Weg für die heutigen Quantentechnologien. Deren Anwendungen beruhen im Wesentlichen auf vier Säulen: Quantencomputing, Quantensimulation, Quantenkommunikation und -kryptografie sowie Quantensensorik und -metrologie. Die wissenschaftliche Grundlage dafür bilden unter anderem die folgenden nobelpreisgekrönten Arbeiten:

1997: Chu, Cohen-Tannoudji, Phillips „für die Entwicklung von Methoden zum Kühlen und Einfangen von Atomen mit Laserlicht“

2001: Cornell, Ketterle, Wieman „für die Erzeugung der Bose-Einstein-Kondensation in verdünnten Gasen aus Alkaliatomen und für frühe grundsätzliche Studien über die Eigenschaften der Kondensate“

2012: Haroche, Wineland „für bahnbrechende experimentelle Methoden, die die Messung und Manipulation einzelner Quantensysteme ermöglichen“

2022: Aspect, Clauser, Zeilinger „für Experimente mit verschränkten Photonen, das Verletzen der Bell‘schen Ungleichung und Pionierarbeit in der Quanteninformationswissenschaft“

2023: Agostini, Krausz, L’Huillier „für experimentelle Methoden zur Erzeugung von Attosekunden-Lichtpulsen zur Untersuchung der Elektronendynamik in Materie“

2025: Clarke, Devoret, Martinis „für die Entdeckung makroskopischen quantenmechanischen Tunnelns und der Energiequantisierung in einem elektrischen Schaltkreis“

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