Ein internationales Forschungsteam unter Beteiligung von IBM sowie mehreren europäischen Universitäten hat ein bislang unbekanntes Molekül erzeugt und untersucht. Die Studie, veröffentlicht in der Fachzeitschrift Science, beschreibt erstmals die experimentelle Beobachtung einer elektronischen Halb-Möbius-Topologie in einem einzelnen Molekül. Quantencomputing spielte dabei eine zentrale Rolle bei der Analyse der elektronischen Struktur.
Die Abbildung zeigt ein Dyson-Orbital für die Elektronenanlagerung, berechnet mit Quantenhardware. Foto: IBM und Universität Manchester
Ein internationales Forschungskonsortium aus Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern von IBM sowie der Universität Manchester, der Universität Oxford, der ETH Zürich, der EPFL und der Universität Regensburg hat ein Molekül erzeugt und charakterisiert, das sich in seinem elektronischen Verhalten von bisher bekannten Molekülen unterscheidet. Die Elektronen bewegen sich darin in einem korkenzieherartigen Muster durch die Struktur, was laut den Forschenden grundlegende Auswirkungen auf das chemische Verhalten haben kann.
Die Ergebnisse wurden am 5. März 2026 in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht. Nach Angaben des Forschungsteams handelt es sich um die erste experimentelle Beobachtung einer elektronischen Halb-Möbius-Topologie in einem einzelnen Molekül. Um das Verhalten auf elektronischer Ebene zu analysieren, setzten die Forschenden unter anderem Quantencomputing-Simulationen ein.
Das neu untersuchte Molekül besitzt die chemische Formel C₁₃Cl₂. Es wurde bei IBM atomweise aus einem an der Universität Oxford speziell dafür synthetisierten Vorprodukt aufgebaut. Einzelne Atome wurden nacheinander mithilfe präzise kalibrierter Spannungspulse entfernt. Die Experimente fanden unter Ultrahochvakuum und bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt statt.
Zur Analyse nutzte das Team Rastertunnelmikroskopie und Rasterkraftmikroskopie – beides Verfahren, die ursprünglich bei IBM entwickelt wurden. In Kombination mit Quantencomputing-Simulationen konnten die Forschenden eine bislang in der Chemie unbekannte elektronische Konfiguration identifizieren.
Die elektronische Struktur dreht sich demnach bei jedem Umlauf um 90 Grad und benötigt vier vollständige Umläufe, um zur Ausgangsphase zurückzukehren. Diese sogenannte elektronische Halb-Möbius-Topologie unterscheidet sich qualitativ von bekannten molekularen Strukturen. Das Molekül kann zudem reversibel zwischen im Uhrzeigersinn gedrehten, gegen den Uhrzeigersinn gedrehten und unverdrehten Zuständen wechseln.
Die Untersuchung der elektronischen Struktur stellte eine erhebliche rechnerische Herausforderung dar. In dem Molekül interagieren Elektronen stark miteinander; jede Veränderung beeinflusst gleichzeitig alle anderen Elektronen. Die Modellierung solcher Systeme erfordert die gleichzeitige Berücksichtigung zahlreicher möglicher Konfigurationen, wodurch der Rechenaufwand exponentiell wächst.
Quantencomputer folgen denselben quantenmechanischen Prinzipien wie die Elektronen selbst und können solche Systeme daher direkt darstellen. Statt ausschließlich Näherungsrechnungen durchzuführen, ermöglichen sie Simulationen, die näher am tatsächlichen quantenmechanischen Verhalten liegen.
In einem quantenzentrierten Supercomputing-Workflow kombinierte das Forschungsteam Quantenprozessoren mit klassischen CPUs und GPUs. In diesem Zusammenspiel wurden spiralförmige Molekülorbitale für die Elektronenanlagerung identifiziert – ein charakteristisches Merkmal der elektronischen Halb-Möbius-Topologie. Die Simulation half außerdem, den zugrunde liegenden Mechanismus zu erklären: einen helikalen Pseudo-Jahn-Teller-Effekt.
Die Studie versteht sich auch als Demonstration für den Einsatz von Quantencomputing in der Grundlagenforschung. Ziel solcher Systeme ist es unter anderem, quantenmechanische Prozesse in Molekülen und Materialien präzise zu simulieren.
Foto: IBM
Alessandro Curioni, IBM Fellow, Vice President Europe and Africa und Director von IBM Research Zurich
IBM-Forscher Alessandro Curioni, IBM Fellow, Vice President Europe and Africa und Director von IBM Research Zurich, beschreibt den Ablauf der Arbeit so:
„Zuerst haben wir ein Molekül konzipiert, von dem wir annahmen, dass es hergestellt werden könnte. Dann haben wir es erschaffen und anschließend seine Besonderheiten mit einem Quantencomputer validiert“, so Alessandro Curioni. „Dies ist ein großer Schritt zur Umsetzung des Traums, den der renommierte Physiker Richard Feynman schon vor Jahrzehnten formulierte: einen Computer zu bauen, der die Quantenphysik bestmöglich simulieren kann, und ein Beleg für, wie er sagte: ‚There’s plenty of room at the bottom’. Der Erfolg dieser Forschung stellt einen Schritt in Richtung dieser Vision dar und eröffnet neue Möglichkeiten zur Erforschung unserer Welt und der in ihr enthaltenen Materie.“
Die Arbeit knüpft an eine längere Forschungstradition bei IBM im Bereich der Nanowissenschaft an. Bereits 1981 wurde dort das Rastertunnelmikroskop entwickelt, für das die IBM-Wissenschaftler Gerd Binnig und Heinrich Rohrer 1986 den Nobelpreis erhielten. Die Technik ermöglichte es erstmals, Oberflächen atomweise abzubilden. 1989 folgte eine Methode zur gezielten Manipulation einzelner Atome.
Die aktuellen Experimente bauen auf diesen Verfahren auf und erweitern sie um quantencomputergestützte Simulationen – mit dem Ziel, neue molekulare Strukturen nicht nur zu beobachten, sondern gezielt zu entwerfen und zu analysieren.
