• 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

Vil du stå i spidsen for et af Danmarks ældste fagblade – Dansk Kemi søger ny redaktør

Organisk kemi21. 10. 2025

Da vores redaktør, Hanne Christine Bertram, stopper, søger vi en redaktør til et af Danmarks ældste fagtidsskrifter, Dansk Kemi. Dansk Kemi bringer aktuel og dybdegående information om kemien og dens udvikling inden for industri, forskning og uddannelse. Bladet er desuden medlemsblad for Kemisk

Hvad laver lermineralet vermiculiti laboratoriet?

Artikler fra Dansk KemiTop21. 10. 2025

I 2023 kom ler for alvor i medierne, da der skete et voldsomt jordskred i Ølst Bakker ved Randers. Siden 1950'erne er der i området gravet ler til Leca-kugler, som blandt andet bruges til dræn og (sammen med beton) til isolering. Faktisk bliver mange lermineraler brugt til forskellige kommercielle

Er kokain protoneret, når det binder til dopamintransporteren?

AktueltArtikler fra Dansk KemiMedicinalkemi17. 10. 2025

Vi har undersøgt, hvordan pH-forholdene er, når lægemidlet binder til dets vigtigste target. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 2, 2025 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) Af Marie Louise Gram og Mikael Bols, Kemisk Institut,

Både Techmedia og mange fagfolk vil savne Marianne Dieckmann

Branchenyt15. 10. 2025

Det er med stor sorg, at vi må fortælle, at vores hjertevarme og altid positive kollega – og ven – Marianne Dieckmann (61) ikke er hos os i denne verden længere. Marianne gik for nyligt bort efter i flere år at have kæmpet mod en kræftsygdom, som hun dog hverken lod forlag eller vores mange kunder

Chr. Hansen A/S, osteløbe og teknologispring

AktueltArtikler fra Dansk KemiHistorisk kemi06. 10. 2025

– en virksomhed, der har en historie med mange facetter. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 4, 2025 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) Af Kurt Jacobsen, dr.phil. Den 29. januar 2004 fusionerede de to danske virksomheder,

Fra forskning i nanosikkerhed til mere sikker håndtering af nanomaterialer i arbejdsmiljøet

AktueltArbejdsmiljø/IndeklimaArtikler fra Dansk Kemi29. 09. 2025

NFA har udgivet en videnskabelig artikel om NFA's samfundsmæssige aftryk på kemiområdet. Den beskriver, hvordan forskning i nanosikkerhed er omsat til mere sikker håndtering af nanomaterialer på arbejdspladser i Danmark. Det skete i tæt dialog mellem forskere, Arbejdstilsynet og arbejdsmarkedets

Sulfitter. Sulfo. Sulfonater og sulfater. Sulfa. Sulfy. Sulfider. Sulfan

AktueltArtikler fra Dansk KemiHistorisk kemi22. 09. 2025

Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 4, 2025 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) Hvad er fælles for indholdet af de to flasker på billedet? Der er svovlforbindelser i begge, og i begge giver de pågældende forbindelser lidt

Jubilæumsudgaven af Labdays i Aarhus er kommet godt fra start

BranchenytTop10. 09. 2025

Lige fra morgenstunden stod de første besøgende klar til at komme ind på LabDays messen, der i år afholdes i smilets by, Aarhus. Her kunne de finde oplagte udstillere, der gennem messens to dage står klar til at præsentere deres produkter, der inkluderer alt indenfor laboratorieverdenen. Der ud

Kvantealgoritmer og kemisk forståelse i åbne systemer

AktueltArtikler fra Dansk Kemi03. 09. 2025

Fra myten om den heroiske beregning til realistiske simuleringer af elektronoverførsel i åbne systemer med hukommelse. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 4, 2025 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) Af Lea K. Northcote1,2 og

Grøn kemi, affald og plast

AktueltArtikler fra Dansk KemiGrøn omstilling26. 08. 2025

Grøn kemi – læren om hvordan kemi udføres bæredygtigt og sikkert – bliver kun vigtigere. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 4, 2025 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) Af Christine Brænder Almstrup og Mikael Bols, Kemisk

Tilmeld Nyhedsbrev

Tilmeld dig til dit online branchemagasin/avis





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

/Nyheder

  • Holm & Halby

    Bestil vores gratis 2026 kalendere 

  • Holm & Halby

    Vi afholder Fermenteringsseminar på BII

  • DENIOS ApS

    Alt hvad du skal vide, før du håndterer farlige stoffer

  • Holm & Halby

    Servicetekniker til LAF, sikkerhedskabinetter og renrum

  • Busch Vakuumteknik A/S

    Øget produktivitet på mejeriet takket være vakuum fra Busch

  • Mikrolab – Frisenette A/S

    Du inviteres til den årlige Opentrons Super-bruger dag

  • Kem-En-Tec Nordic

    O2 and PAR loggers til miljøundersøgelser

  • DENIOS ApS

    Spar 432 kr* hver gang, du tømmer din IBC

  • MD Scientific

    Avanceret Dissolution Tester til pålidelig og effektiv analyse

  • Mikrolab – Frisenette A/S

    Efterårets IKA Specials – Rabatter til den kemiske industri

Vis alle nyheder fra vores FOKUSpartnere ›

Seneste Nyheder

  • Vil du stå i spidsen for et af Danmarks ældste fagblade – Dansk Kemi søger ny redaktør

    21.10.2025

  • Hvad laver lermineralet vermiculiti laboratoriet?

    21.10.2025

  • Er kokain protoneret, når det binder til dopamintransporteren?

    17.10.2025

  • Både Techmedia og mange fagfolk vil savne Marianne Dieckmann

    15.10.2025

  • Chr. Hansen A/S, osteløbe og teknologispring

    06.10.2025

  • Fra forskning i nanosikkerhed til mere sikker håndtering af nanomaterialer i arbejdsmiljøet

    29.09.2025

  • Sulfitter. Sulfo. Sulfonater og sulfater. Sulfa. Sulfy. Sulfider. Sulfan

    22.09.2025

  • Jubilæumsudgaven af Labdays i Aarhus er kommet godt fra start

    10.09.2025

  • Kvantealgoritmer og kemisk forståelse i åbne systemer

    03.09.2025

  • Grøn kemi, affald og plast

    26.08.2025

  • Det gyldne mikrobiom: Tarmbakterier som kilde til det essentielle B-vitamin riboflavin

    20.08.2025

  • Antibiotikaresistens i vores naturlige miljøer

    12.08.2025

  • Nye metoder giver indsigt i plantebaseret strukturdannelse

    04.08.2025

  • Hofmeister – nem at anvende, svær at forstå

    23.06.2025

  • Udvinding af fødevareproteiner fra kløvergræs ved membranteknologi

    17.06.2025

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