En grupp forskare rapporterar att de har uppnått kvantkoherens vid rumstemperatur, vilket är förmågan hos ett kvantsystem att bibehålla ett väldefinierat tillstånd över tid utan att påverkas av omgivande störningar

Detta genombrott möjliggjordes genom att bädda in en kromofor, en färgämnesmolekyl som absorberar ljus och avger färg, i ett metallorganiskt ramverk, eller MOF, ett nanoporöst kristallint material som består av metalljoner och organiska ligander. Forskningen är publicerad i tidskriften Science Advances .

Forskargruppen leddes av docent Nobuhiro Yanai från Kyushu Universitys tekniska fakultet, i samarbete med docent Kiyoshi Miyata från Kyushu University och professor Yasuhiro Kobori från Kobe University.

Deras resultat markerar ett avgörande framsteg för kvantberäknings- och avkänningsteknologier. Medan kvantberäkning är positionerat som nästa stora framsteg inom beräkningsteknik, är kvantavkänning en avkänningsteknik som använder kvantmekaniska egenskaper hos qubits (kvantanaloger av bitar i klassisk beräkning som kan existera i en överlagring av 0 och 1).

Olika system kan användas för att implementera qubits, med ett tillvägagångssätt är utnyttjandet av inre spinn - en kvantegenskap relaterad till en partikels magnetiska moment - hos en elektron. Elektroner har två spinnlägen:snurra upp och snurra ner. Qubits baserade på spinn kan existera i en kombination av dessa tillstånd och kan "trasslas ihop", vilket gör att tillståndet för en qubit kan härledas från en annan.

Genom att utnyttja den extremt känsliga naturen hos ett kvanttrasslat tillstånd för omgivningsljud förväntas kvantavkänningstekniken möjliggöra avkänning med högre upplösning och känslighet jämfört med traditionella tekniker. Men hittills har det varit utmanande att trassla in fyra elektroner och få dem att reagera på externa molekyler, det vill säga uppnå kvantavkänning med en nanoporös MOF.

I synnerhet kan kromoforer användas för att excitera elektroner med önskvärda elektronsnurr vid rumstemperatur genom en process som kallas singlet fission. Men vid rumstemperatur gör att kvantinformationen som lagras i qubits förlorar kvantöverlagring och intrassling. Som ett resultat är det vanligtvis endast möjligt att uppnå kvantkoherens vid temperaturer på nivån flytande kväve.

För att undertrycka den molekylära rörelsen och uppnå kvantkoherens vid rumstemperatur, introducerade forskarna en kromofor baserad på pentacen (polycykliskt aromatiskt kolväte som består av fem linjärt smälta bensenringar) i en MOF av UiO-typ. "MOF i detta arbete är ett unikt system som kan ackumulera kromoforer tätt. Dessutom gör nanoporerna inuti kristallen det möjligt för kromoforen att rotera, men i en mycket begränsad vinkel", säger Yanai.

MOF-strukturen underlättade tillräckligt med rörelse i pentacenenheterna för att tillåta elektronerna att övergå från tripletttillståndet till ett kvintetttillstånd, samtidigt som det undertryckte rörelsen tillräckligt vid rumstemperatur för att bibehålla kvantkoherensen i kvintettmultiexcitontillståndet. På fotoexciterande elektroner med mikrovågspulser kunde forskarna observera tillståndets kvantkoherens i över 100 nanosekunder vid rumstemperatur. "Detta är den första kvantkoherensen i rumstemperatur av intrasslade kvintetter", säger Kobori.

Medan koherensen observerades endast i nanosekunder, kommer resultaten att bana väg för att designa material för generering av flera qubits vid rumstemperatur. "Det kommer att vara möjligt att generera kvintett multiexciton-tillståndsqubits mer effektivt i framtiden genom att söka efter gästmolekyler som kan inducera fler sådana undertryckta rörelser och genom att utveckla lämpliga MOF-strukturer", säger Yanai. "Detta kan öppna dörrar till rumstemperatur molekylär kvantberäkning baserad på multipel kvantgrindstyrning och kvantavkänning av olika målföreningar."

Mer information: Akio Yamauchi et al, Rumstemperatur kvantkoherens av intrasslade multiexcitoner i ett metallorganiskt ramverk, Science Advances (2024). DOI:10.1126/sciadv.adi3147

Journalinformation: Vetenskapens framsteg

Tillhandahålls av Kyushu University