Generering af stabile qubits ved stuetemperatur

En gruppe forskere rapporterer, at de har opnået kvantekohærens ved stuetemperatur, hvilket er et kvantesystems evne til at opretholde en veldefineret tilstand over tid uden at blive påvirket af omgivende forstyrrelser

Dette gennembrud blev muliggjort ved at indlejre en kromofor, et farvestofmolekyle, der absorberer lys og udsender farve, i en metalorganisk ramme eller MOF, et nanoporøst krystallinsk materiale, der består af metalioner og organiske ligander. Forskningen er publiceret i tidsskriftet Science Advances .

Forskerholdet blev ledet af lektor Nobuhiro Yanai fra Kyushu Universitets Tekniske Fakultet i samarbejde med lektor Kiyoshi Miyata fra Kyushu Universitet og professor Yasuhiro Kobori fra Kobe Universitet.

Deres resultater markerer et afgørende fremskridt for kvanteberegnings- og sanseteknologier. Mens kvantedatabehandling er placeret som det næste store fremskridt inden for databehandlingsteknologi, er kvantesensor en sensorteknologi, der udnytter de kvantemekaniske egenskaber af qubits (kvanteanaloger af bits i klassisk databehandling, der kan eksistere i en superposition på 0 og 1).

Forskellige systemer kan bruges til at implementere qubits, hvor en tilgang er udnyttelsen af ​​iboende spin - en kvanteegenskab relateret til en partikels magnetiske moment - af en elektron. Elektroner har to spin-tilstande:spin op og spin ned. Qubits baseret på spin kan eksistere i en kombination af disse tilstande og kan være "entangled", hvilket gør det muligt at udlede tilstanden af ​​en qubit fra en anden.

Ved at udnytte den ekstremt følsomme karakter af en kvantesammenfiltret tilstand til miljøstøj forventes kvantesensorteknologi at muliggøre sansning med højere opløsning og følsomhed sammenlignet med traditionelle teknikker. Men indtil videre har det været udfordrende at vikle fire elektroner ind og få dem til at reagere på eksterne molekyler, det vil sige opnå kvantesansning ved hjælp af en nanoporøs MOF.

Især kan kromoforer bruges til at excitere elektroner med ønskelige elektronspin ved stuetemperatur gennem en proces kaldet singlet fission. Ved stuetemperatur får kvanteinformationen lagret i qubits imidlertid til at miste kvantesuperposition og sammenfiltring. Som et resultat er det normalt kun muligt at opnå kvantekohærens ved temperaturer på flydende nitrogenniveau.

For at undertrykke den molekylære bevægelse og opnå kvantekohærens ved stuetemperatur introducerede forskerne en kromofor baseret på pentacen (polycyklisk aromatisk kulbrinte bestående af fem lineært fusionerede benzenringe) i en UiO-type MOF. "MOF'en i dette arbejde er et unikt system, der tæt kan akkumulere kromoforer. Derudover gør nanoporerne inde i krystallen det muligt for kromoforen at rotere, men i en meget begrænset vinkel," siger Yanai.

MOF-strukturen lettede nok bevægelse i pentacen-enhederne til at tillade elektronerne at gå fra triplettilstanden til en kvintettilstand, mens den også undertrykkede bevægelsen tilstrækkeligt ved stuetemperatur til at opretholde kvantekohærensen af ​​kvintet-multiexcitontilstanden. Ved fotoexciterende elektroner med mikrobølgeimpulser kunne forskerne observere tilstandens kvantesammenhæng i over 100 nanosekunder ved stuetemperatur. "Dette er den første kvantekohærens ved stuetemperatur af sammenfiltrede kvintetter," siger Kobori.

Mens sammenhængen kun blev observeret i nanosekunder, vil resultaterne bane vejen for design af materialer til generering af flere qubits ved stuetemperatur. "Det vil være muligt at generere kvintet multiexciton state qubits mere effektivt i fremtiden ved at søge efter gæstemolekyler, der kan inducere flere sådanne undertrykte bevægelser og ved at udvikle passende MOF-strukturer," siger Yanai. "Dette kan åbne døre til rumtemperatur molekylær kvanteberegning baseret på multiple quantum gate control og kvantesensing af forskellige målforbindelser."

Flere oplysninger: Akio Yamauchi et al., Rumtemperatur kvantekohærens af sammenfiltrede multiexcitoner i en metal-organisk ramme, Science Advances (2024). DOI:10.1126/sciadv.adi3147

Journaloplysninger: Videnskabelige fremskridt

Leveret af Kyushu University