• Facebook
  • LinkedIn
  • KONTAKT
  • ANNONCERING
  • OM KEMIFOKUS
  • PARTNERLOGIN

KemiFOKUS

Fokus på kemi

  • Analytisk kemi
  • Arbejdsmiljø/Indeklima
  • Biokemi
  • Biologi
  • Bioteknologi
  • Branchenyt
  • Energi
  • Fødevarekemi
  • Historisk kemi
  • Kemiteknik
  • Kemometri
  • Klikkemi
  • Klima og miljø
  • Lovgivning og patenter
  • Medicinalkemi
  • Nanoteknologi
  • Organisk kemi
  • Artikler fra Dansk Kemi

Analytisk kemiArtikler fra Dansk Kemi12. 04. 2023 | Heidi Thode

Den molekylære kvantecomputer

Analytisk kemiArtikler fra Dansk Kemi12. 04. 2023 By Heidi Thode

Kvantecomputere tiltrækker større og større opmærksomhed. De første kvantecomputere fra Google og IBM baserer i dag deres logiske enheder på superledere. I kulissen står dog flere andre teknologier klar til at tage over i den næste fase af kvantecomputere, heriblandt molekylære komplekser.

Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 2, 2023 og kan læses uden illustrationer, strukturer og ligninger herunder.

Læs originalartiklen her

Af Christian D. Buch og Stergios Piligkos, Kemisk Institut, Københavns Universitet

Kvantemekanikken har en helt særlig betydning i Danmark på grund af det grundlæggende arbejde, som blev gjort af Niels Bohr, Werner Heisenberg og mange andre på Niels Bohr Institutet i København i løbet af 1920’erne. Dengang blev vores forståelse af kvantemekanikken grundlagt i, hvad der senere er blevet kaldt Den Første Kvanterevolution. I dag godt 100 år senere står vi midt i Den Anden Kvanterevolution. Nu handler det ikke længere om forståelsen af kvantemekanikken, men derimod om at udnytte dens gådefulde verden til at skabe nye banebrydende teknologier. En af disse er kvantecomputeren, som er et af vor tids mest ambitiøse teknologiske mål [1].
Det vakte stor opsigt, da Googles kvanteprocessor Sycamore i efteråret 2019 udførte en beregning på 200 sekunder, som ville tage den bedste supercomputer i verden flere tusinde år at gennemføre [2]. Dette var det første tegn på Quantum Advantage, altså at en kvantecomputer kan være hurtigere end en klassisk computer. Ved at bruge kvantemekaniske fænomener så som superposition og sammenfiltring (entanglement) kan en kvantecomputer løse visse beregningsproblemer mange gange hurtigere end en klassisk computer. Dette ses for eksempel i Grovers databasesøgningsalgoritme [3] og i Shors primtalsfaktoriseringsalgoritme [4], hvor sidstnævnte næsten er eksponentielt hurtigere end den bedst kendte klassiske algoritme. Kvantecomputeren er stadig i sin barndom, og den bedste teknologi at basere den på er endnu ikke fundet. I denne artikel sætter vi fokus på, hvordan molekylære komplekser kan bruges i fremtidens kvantecomputere.

Kvantebitten – kvantecomputerens logiske enhed
Klassiske computere så som din smartphone eller bærbar er bygget op omkring et binært system. De simpleste logiske enheder i en computer er bits, hvor hver enkelt bit kan være enten 0 eller 1 (figur 1a). En kvantecomputer gør også brug af bits, de såkaldte kvantebits eller qubits fra engelsk quantum bit. Ligesom en almindelig bit kan en kvantebit antage to tilstande (ligning), men her stopper ligheden med en almindelig bit også. En kvantebit kan nemlig også sættes i en vilkårlig superposition (ligning) , hvor α og β er komplekse koefficienter (figur 1b). Denne superposition er hele grundstenen i en kvantecomputer og åbner op for den øgede regnekraft i en kvantecomputer.
En klassisk computer bruger gates til at lave logiske operationer mellem sine bits. Det gælder for eksempel en NOT eller AND gate (figur 2). Det samme gør sig gældende i en kvantecomputer, hvor kvantegates udfører logiske operationer på kvantebits. Nogle af disse kvantegates har direkte klassiske pendanter, for eksempel svarer en Z gate til den klassiske NOT gate. Andre kvantegates har ikke nogen klassisk ækvivalent, dette gælder for en Hadamard eller (ligning) gate, som sætter en eller flere kvantebits i superposition (figur 2). Den interesserede læser som ønsker mere viden om kvantegates, henvises til programmet Qiskit udviklet af IBM (www.qiskit.org).

Molekylære komplekser som kvantebits
Som beskrevet ovenfor kræver en potentiel kvantebit først og fremmest et to-niveausystem, hvor man kan sætte den potentielle kvantebit i en superposition mellem de to tilstande. Molekylære komplekser med uparrede elektroner opfylder dette kriterie. I disse komplekser kan den uparrede elektron være enten spin op (ligning) eller spin ned (ligning) altså et to-niveausystem. Idet elektronens spin er en kvantemekanisk enhed, er det også muligt at sætte det i en superposition. Flere S = ½ komplekser er blevet studeret som potentielle kvantebits. Her kan for eksempel nævnes Cu(II) og vanadyl forbindelser (figur 3a og 3b) [5-6]. Endvidere har exchange-vekselvirkningssystemer så som Cr7Ni ringkomplekser med en S = ½ grundtilstand været undersøgt som kvantebitkandidater (figur 3c) [7]. Der er dog ikke noget strengt krav om at være et S = ½ system for at være en kvantebit, så længe komplekset har en isoleret grunddublet – dette kaldes et effektivt S = ½ system. Dette gælder for eksempel Yb(trensal) (H3trensal = 2,2′,2″-tris(salicylidenimino)triethylamin), som vi har studeret som en potentiel molekylær kvantebit (figur 3d) [8]. Selvom Yb(III) har otte energiniveauer i sin grundmultiplet, så er grunddubletten energetisk isoleret fra de andre dubletter, og Yb(trensal) kan derfor betragtes som et to-niveausystem.
Udover at have et to-niveausystem er det selvfølgelig også vigtigt at kunne styre sin kvantebit. En kemisk kvantebit kan kontrolleres med teknikken puls elektron paramagnetisk resonans (EPR). Denne teknik gør brug af mikrobølgepulser i stedet for en kontinuert mikrobølgestråling som i c.w. EPR, og den er derfor tidsopløst. Disse mikrobølgepulser kan bruges til at udføre gateoperationer på kvantebitene. For eksempel kan en Hadamard gate på et to-niveausystem, altså det at sætte systemet i en superposition, opnås ved at give en såkaldt π/2-puls til systemet, mens en Z gate, altså det at flippe elektronspinet, kan opnås ved at give en π-puls til systemet. De resterende gates kan implementeres ved hjælp af mere komplicerede mikrobølgepulser og pulssekvenser.

Fordele ved molekylære komplekser
De kvantecomputere, som indtil videre er blevet udviklet af IBM og Google, er bygget op omkring kvantebits lavet af superledere [2]. Selvom denne type af kvantebits allerede har fundet vej til funktionelle kvantecomputere, er de ikke perfekte og ej heller molekylære systemer overlegne. Her kan for eksempel nævnes, at superledende kvantebits kun virker ved millikelvin-temperaturer, hvorimod molekylære kvantebits kan fungere ved stuetemperatur [5,9].
En stor udfordring med nutidens kvantecomputere er, hvordan man implementerer kvantefejlrettelser. Idet kvantecomputere er kvantemekaniske systemer, vil der over tid opstå tilfældige fejl i beregningerne. En måde at løse dette på er at lave klynger af flere kvantebits, som så opererer som en logisk kvantebit [10]. Dette kræver dog, at man bruger flere fysiske kvantebits for hver enkelt logisk kvantebit. Her har molekylære komplekser også en fordel, idet de ikke nødvendigvis er to-niveausystemer. Dette gælder for S > ½ systemer og systemer med kernespin. I det molekylære kompleks Yb(trensal) har isotopen 173Yb for eksempel et kernespin på 5/2, altså seks kernetilstande. Ved at udnytte vekselvirkningen mellem kernespinnet og elektronspinnet kan fejlretningsalgoritmer indbygges i et enkelt kompleks, altså i en enkelt fysisk kvantebit i stedet for flere [11].

Næste skridt
Der ligger stadig en del arbejde, før molekylære komplekser kan danne fundamentet for fremtidens kvantecomputere. Selvom der kan laves molvis af identiske molekyler, og en kvantebit derved i princippet nemt kan skaleres op som krævet af DiVincenzo-kriterierne [12], så kræver det også, at hvert kompleks kan placeres ordnet, således at det kan adresseres enkeltvis og uafhængigt af naboerne. Dette er en kæmpeudfordring. Adressering og kvanteberegninger på et enkelt kompleks er blevet gjort [1,13], men opbygning af hele kredsløb med molekylære kvantebits er endnu ikke realiseret. Der arbejdes dog intenst på dette. Vi har for eksempel for nylig i samarbejde med kollegaer på Zaragoza Universitet og Parma Universitet undersøgt enkeltkrystaller af Yb(trensal) indsat i kvanteelektrodynamiske kredsløb (c-QED) [14]. Der er dog endnu ingen, som har udført kvantegateoperationer mellem molekylære kvantebits i integrerede kredsløb.

E-mail:
Stergios Piligkos: piligkos@chem.ku.dk

Referencer
1. Thiele, S.; Balestro, F.; Ballou, R.; Klyatskaya, S.; Ruben, M.; Wernsdorfer, W., Electrically driven nuclear spin resonance in single-molecule magnets. Science 2014, 344 (6188), 1135-8.
2. Arute, F.; Arya, K.; Babbush, R.; Bacon, D.; Bardin, J.C.; Barends, R.; Biswas, R.; Boixo, S.; Brandao, F.; Buell, D.A.; Burkett, B.; Chen, Y.; Chen, Z.; Chiaro, B.; Collins, R.; Courtney, W.; Dunsworth, A.; Farhi, E.; Foxen, B.; Fowler, A.; Gidney, C.; Giustina, M.; Graff, R.; Guerin, K.; Habegger, S.; Harrigan, M.P.; Hartmann, M.J.; Ho, A.; Hoffmann, M.; Huang, T.; Humble, T.S.; Isakov, S.V.; Jeffrey, E.; Jiang, Z.; Kafri, D.; Kechedzhi, K.; Kelly, J.; Klimov, P.V.; Knysh, S.; Korotkov, A.; Kostritsa, F.; Landhuis, D.; Lindmark, M.; Lucero, E.; Lyakh, D.; Mandra, S.; McClean, J.R.; McEwen, M.; Megrant, A.; Mi, X.; Michielsen, K.; Mohseni, M.; Mutus, J.; Naaman, O.; Neeley, M.; Neill, C.; Niu, M.Y.; Ostby, E.; Petukhov, A.; Platt, J.C.; Quintana, C.; Rieffel, E.G.; Roushan, P.; Rubin, N.C.; Sank, D.; Satzinger, K.J.; Smelyanskiy, V.; Sung, K.J.; Trevithick, M.D.; Vainsencher, A.; Villalonga, B.; White, T.; Yao, Z.J.; Yeh, P.; Zalcman, A.; Neven, H.; Martinis, J.M., Quantum supremacy using a programmable superconducting processor. Nature 2019, 574 (7779), 505-510.
3. Grover, L.K., Quantum Computers Can Search Arbitrarily Large Databases by a Single Query. Physical Review Letters 1997, 79 (23), 4709-4712.
4. Shor, P.W., Algorithms for Quantum Computation: Discrete Logarithms and Factoring. Proceedings 35th Annual Symposium on Foundations of Computer Science 1994.
5. Bader, K.; Dengler, D.; Lenz, S.; Endeward, B.; Jiang, S.D.; Neugebauer, P.; van Slageren, J., Room temperature quantum coherence in a potential molecular qubit. Nat Commun 2014, 5, 5304.
6. Yu, C.J.; Graham, M.J.; Zadrozny, J.M.; Niklas, J.; Krzyaniak, M.D.; Wasielewski, M.R.; Poluektov, O.G.; Freedman, D.E., Long Coherence Times in Nuclear Spin-Free Vanadyl Qubits. J Am Chem Soc 2016, 138 (44), 14678-14685.
7. Ardavan, A.; Rival, O.; Morton, J.J.; Blundell, S.J.; Tyryshkin, A.M.; Timco, G.A.; Winpenny, R.E., Will spin-relaxation times in molecular magnets permit quantum information processing? Phys Rev Lett 2007, 98 (5), 057201.
8. Pedersen, K.S.; Ariciu, A.M.; McAdams, S.; Weihe, H.; Bendix, J.; Tuna, F.; Piligkos, S., Toward Molecular 4f Single-Ion Magnet Qubits. J Am Chem Soc 2016, 138 (18), 5801-4.
9. Atzori, M.; Tesi, L.; Morra, E.; Chiesa, M.; Sorace, L.; Sessoli, R., Room-Temperature Quantum Coherence and Rabi Oscillations in Vanadyl Phthalocyanine: Toward Multifunctional Molecular Spin Qubits. J Am Chem Soc 2016, 138 (7), 2154-7.
10. Google Quantum, A.I., Suppressing quantum errors by scaling a surface code logical qubit. Nature 2023, 614 (7949), 676-681.
11. Hussain, R.; Allodi, G.; Chiesa, A.; Garlatti, E.; Mitcov, D.; Konstantatos, A.; Pedersen, K.S.; De Renzi, R.; Piligkos, S.; Carretta, S., Coherent Manipulation of a Molecular Ln-Based Nuclear Qudit Coupled to an Electron Qubit. J Am Chem Soc 2018, 140 (31), 9814-9818.
12. DiVincenzo, D.P., The Physical Implementation of Quantum Computation. Fortschritte der Physik 2000, 48 (9-11), 771-783.
13. Vincent, R.; Klyatskaya, S.; Ruben, M.; Wernsdorfer, W.; Balestro, F., Electronic read-out of a single nuclear spin using a molecular spin transistor. Nature 2012, 488 (7411), 357-60.
14. Rollano, V.; de Ory, M.C.; Buch, C.D.; Rubín-Osanz, M.; Zueco, D.; Sánchez-Azqueta, C.; Chiesa, A.; Granados, D.; Carretta, S.; Gomez, A.; Piligkos, S.; Luis, F., High cooperativity coupling to nuclear spins on a circuit quantum electrodynamics architecture. Communications Physics 2022, 5 (1).

Skrevet i: Analytisk kemi, Artikler fra Dansk Kemi

Seneste nyt fra redaktionen

Hvad sker der på spildevandsanlægget, når ”det pisser ned”?

Analytisk kemiArtikler fra Dansk KemiTop25. 02. 2026

Hvordan moderne kemiske analysemetoder hjælper os til at forstå dynamikken af mikroforureninger i spildevandet. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 1, 2026 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) Af Kristoffer Kilpinen1, Selina

ISO 13391 og ISO 25078

Artikler fra Dansk KemiGrøn omstilling18. 02. 2026

– beregning af skovens klimaeffekter En ny international ISO-standard for beregning af skovens klimaeffekter giver emnet fornyet aktualitet. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 1, 2026 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) Af

Ti, Mo, Cs, Pr, Nd – hvad har disse fem til fælles?

Artikler fra Dansk KemiHistorisk kemi18. 02. 2026

Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 1, 2026 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) Kemisk Forenings Nomenklaturudvalg (KFNU) i dets nuværende inkarnation daterer sig fra 1940. Udvalgets første større bedrift var i 1952 at nedkomme med

CleanCloud målekampagne i Nordøstgrønland

Artikler fra Dansk KemiKlima og miljø18. 02. 2026

CleanCloud er et EU-finansieret forskningsprojekt, hvor der blandt andet er udført to målekampagner på Villum Research Station (VRS) på Station Nord i Nordgrønland, med det formål at undersøge, hvordan partikler og skyer interagerer. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 1, 2026 og kan læses

Supporting chemical thermodynamics:

Artikler fra Dansk KemiKemiteknik18. 02. 2026

The role of infrared spectroscopy The use of molecular vibrations to probe structure in hydrogen bonding liquids. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 1, 2026 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) By Evangelos Drougkas, Georgios

To naturfagslærere fra slutningen af 1800-tallet

Artikler fra Dansk KemiHistorisk kemi18. 02. 2026

Naturvidenskab kom ind i latinskolen – den lærde skole – i midten af 1800-tallet. Hvad var det for lærere, der underviste i naturvidenskab i den lærde skole og realskolen? Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 1, 2026 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs

Svampe giver køerne kamp til stregen, når det kommer til produktion af mælkeprotein

Artikler fra Dansk KemiBioteknologi18. 02. 2026

Vores fødevareproduktion er alt for klimabelastende, og én af løsningerne findes i mælkeprotein produceret af svampe med en teknologi, der kaldes præcisionsfermentering. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 1, 2026 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs

Konsekvenserne af kunstig iltning af søer

Artikler fra Dansk KemiKlima og miljø18. 02. 2026

- effektvurdering på Danmarks længst iltede søer: Hald Sø og Furesø. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 1, 2026 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) Af Sofie Kamlarczyk1, Henrik Skovgaard2, Julia Groth1, Theis Kragh1 og Kasper

Strontium understøtter tandemaljens robusthed – men hvordan?

Artikler fra Dansk KemiMedicinalkemi18. 02. 2026

Fluorid styrker tænders emalje ved at erstatte hydroxid i hydroxyapatit og sænke opløseligheden. Strontium styrker også tænders emalje, selv om strontium-analogen til Ca5(OH)(PO4)3 er mere opløselig. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 1, 2026 og kan læses uden illustrationer, strukturer

Per- og polyfluorerede alkylstoffer (PFAS)

AktueltArtikler fra Dansk KemiKlima og miljø18. 02. 2026

– et problem i hele Kongeriget Danmark Seneste års monitering viser, at miljøet og mennesker i Danmark, Færøerne og Grønland kan være kritisk belastet af per- og polyfluorerede alkylstoffer (de såkaldte PFAS). I Danmark har brugen af PFAS – i særligt industrien, landbruget og brandøvelser – været

Tilmeld Nyhedsbrev

Tilmeld dig til dit online branchemagasin/avis





Få fuld adgang til indlægning af egne pressemeddelelser...
Læs mere her

/Nyheder

  • DENIOS ApS

    Find det perfekte opsamlingskar på et øjeblik

  • MD Scientific

    PuriFlash oprensningssystem

  • Holm & Halby

    WorkShop: Fryserrobotter

  • DENIOS ApS

    Lithiumbatterier: Sådan sikrer du din virksomhed

  • Busch Vakuumteknik A/S

    Energiomkostninger reduceret med 50% via et centraliseret vakuumsystem

  • Kem-En-Tec Nordic

    Nyt produkt – Streptavidin

  • DENIOS ApS

    Sådan fejrer vi valentinsdag hos DENIOS

  • Holm & Halby

    Holm & Halby klar med seminarprogram for foråret 2026

  • Holm & Halby

    TÜV-certificering styrker dokumenteret kvalitet hos Holm & Halby

  • Holm & Halby

    Workshop sætter fokus på Green Chemistry i sporstofanalysen

Vis alle nyheder fra vores FOKUSpartnere ›

Seneste Nyheder

  • Hvad sker der på spildevandsanlægget, når ”det pisser ned”?

    25.02.2026

  • ISO 13391 og ISO 25078

    18.02.2026

  • Ti, Mo, Cs, Pr, Nd – hvad har disse fem til fælles?

    18.02.2026

  • CleanCloud målekampagne i Nordøstgrønland

    18.02.2026

  • Supporting chemical thermodynamics:

    18.02.2026

  • To naturfagslærere fra slutningen af 1800-tallet

    18.02.2026

  • Svampe giver køerne kamp til stregen, når det kommer til produktion af mælkeprotein

    18.02.2026

  • Konsekvenserne af kunstig iltning af søer

    18.02.2026

  • Strontium understøtter tandemaljens robusthed – men hvordan?

    18.02.2026

  • Per- og polyfluorerede alkylstoffer (PFAS)

    18.02.2026

  • Grønlandske miner og metaller  

    10.02.2026

  • 2026-udgaven af Torkil Holm Prisen måtte deles af to markante forskningsprofiler

    03.02.2026

  • Italienskfødt, dansk-bosat forsker modtager årslegat for at sætte molekyler på menuen

    27.01.2026

  • To år med enhedspatentet og Enhedspatentdomstolen

    26.01.2026

  • Materialer til konstruktion af små modulære atomreaktorer med smeltet fluorid-salt

    20.01.2026

Alle nyheder ›

Læs Dansk Kemi online

Annoncering i Dansk Kemi

KONTAKT

TechMedia A/S
Naverland 35
DK - 2600 Glostrup
www.techmedia.dk
Telefon: +45 43 24 26 28
E-mail: info@techmedia.dk
Privatlivspolitik
Cookiepolitik