Die Quantenphysik ist mittlerweile die Grundlage in fast allen Hochtechnologien (z.B. Laser, Magnetresonanz-Tomographie, Halbleiterbauelemente, Nanostrukturtechnologien). Neu ist jedoch die Realisierung und Nutzung kohärenter Quanteneigenschaften (z.B., Nutzung von Quanten-Superpositionszuständen und Verschränkung), die in Zukunft sowohl ein wesentlich fundamentaleres Verständnis der Interaktion von elektronischen Quantensystemen mit der Umgebung bis in die atomare Ebene versprechen, als auch neue Anwendungsfelder erschließen werden (z.B. abhörsichere Quantenkommunikation, ultraschnelle Quantencomputer, ultra-sensitive Quantensensorik). Die Aufgabe der Grundlagenforschung ist dabei, geeignete Quantensysteme zu identifizieren, deren Interaktion mit der Umgebung zu verstehen und gezielt für bestimmte Anwendungsfelder zu optimieren. Eine der größten Herausforderungen dabei ist es, skalier- und reproduzierbare Architekturen von Quantensystemen zu finden, die auch eine praktikable Anwendungsperspektive haben, z.B. einsatzbar wären in miniaturisierter Form als Quantenprozessor. Der LOEWE-Schwerpunkt SMolBits will genau diese Problematik adressieren durch eine detaillierte Untersuchung der Einsetzbarkeit des bisher noch wenig erforschten Gebietes molekularer Quantenbit-Systeme. Hierbei werden spezielle Moleküle untersucht (Lanthanoid-Komplexe), die ein isoliertes Zweiniveau-System ausbilden und die durch spezielle Linker-Moleküle selektiv an nanostrukturierten Festkörperoberflächen platziert werden können (siehe Illustration). Durch die optische Kopplung über Mikroresonatoren können zwei örtlich getrennte aber identische Moleküle miteinander kohärent wechselwirken. Ein solches System stellt ein Basiselement eines Quantenprozessors dar und würde bereits mehrere zentrale Probleme in der Quantentechnologie lösen, wie die Erzeugung identischer Quantenbitsysteme, die Skalier- und Miniaturisierbarkeit. Zudem ergibt sich aufgrund der Miniaturisierbarkeit auf Chip-Level und die potentiell höhere Temperaturstabilität eine hohe Anwendungsrelevanz. Der Forschungsbereich molekularer Quantensysteme wird momentan weltweit nur singulär in einigen separaten Arbeitsgruppen und nur in Teilaspekten untersucht. In Kassel hat sich in den letzten Jahren durch Neuberufungen in der Physik, Chemie und Ingenieurwissenschaften ein interdisziplinär arbeitender, einzigartiger Kern von Arbeitsgruppen herausgebildet, der sich mit unterschiedlichen Fragestellungen der Quantennatur der Materie auseinandersetzt. Jede der sechs Fachgebiete, die Mitglieder des CINSaT sind, hat entsprechende international ausgewiesene Expertise in den Bereichen der kohärenten optischen Kontrolle von elektronischen Molekülzuständen, der molekularen Synthesechemie, der kontrollierten Interaktion von Ionen in Ionenfallen, der grundlagenorientierten Theorie zu Quantendynamik und -kontrolle, der anwendungsorientierten rechnergestützten Simulation von Nanostrukturen und Bauelementen in der Elektronik bzw. Photonik, und der Herstellung und Charakterisierung von halbleiterbasierten Quantensystemen. Damit entsteht ein weltweit einzigartiges Team das mittel- und langfristig im Rahmen eines DFG-Sonderforschungsbereichs bzw. weiterer EU-Förderung zu einem international führenden Zentrum für interdisziplinäre Fragestellungen in der molekül-basierten Quantentechnologie ausgebaut werden soll.