Con la loro capacità di sfruttare gli strani poteri della meccanica quantistica, i qubit sono la base per tecnologie potenzialmente rivoluzionarie, come nuovi potenti tipi di computer o sensori ultra precisi.

I qubit (abbreviazione di bit quantici) sono spesso realizzati con gli stessi materiali semiconduttori della nostra elettronica quotidiana. Ma un team interdisciplinare di fisici e chimici dell'Università di Chicago e della Northwestern University ha sviluppato un nuovo metodo per creare qubit su misura:sintetizzando chimicamente molecole che codificano le informazioni quantistiche nel loro campo magnetico, o "giro, " stati.

Questo nuovo approccio dal basso verso l'alto potrebbe in definitiva portare a sistemi quantistici dotati di flessibilità e controllo straordinari, contribuendo a spianare la strada alla tecnologia quantistica di prossima generazione.

"Questa è una prova del concetto di una tecnologia quantistica potente e scalabile, " disse David Awschalom, il Liew Family Professor in Molecular Engineering presso la Pritzker School of Molecular Engineering (PME), che ha condotto la ricerca insieme alla sua collega Danna Freedman, professore di chimica alla Northwestern University. "Possiamo sfruttare le tecniche di progettazione molecolare per creare nuovi sistemi su scala atomica per la scienza dell'informazione quantistica. Riunire queste due comunità amplierà l'interesse e avrà il potenziale per migliorare il rilevamento e il calcolo quantistico".

I risultati sono stati pubblicati il ​​12 novembre sulla rivista Scienza .

I qubit funzionano sfruttando un fenomeno chiamato sovrapposizione. Mentre i bit classici utilizzati dai computer convenzionali misurano 1 o 0, un qubit può essere sia 1 che 0 allo stesso tempo.

Il team voleva trovare un nuovo approccio dal basso verso l'alto per sviluppare molecole i cui stati di spin possono essere usati come qubit, e può essere facilmente interfacciato con il mondo esterno. Fare così, hanno usato molecole di cromo organometallico per creare uno stato di spin che potevano controllare con la luce e le microonde.

Eccitando le molecole con impulsi laser controllati con precisione e misurando la luce emessa, potevano "leggere" lo stato di spin delle molecole dopo essere state poste in una sovrapposizione, un requisito chiave per usarle nelle tecnologie quantistiche

Variando solo alcuni atomi diversi su queste molecole attraverso la chimica sintetica, erano anche in grado di modificare sia le loro proprietà ottiche che magnetiche, evidenziando la promessa di qubit molecolari su misura.

"Negli ultimi decenni, gli spin indirizzabili otticamente nei semiconduttori hanno dimostrato di essere estremamente potenti per applicazioni tra cui il rilevamento quantistico potenziato, " disse Awschalom, che è anche direttore del Chicago Quantum Exchange e direttore di Q-NEXT, un Centro nazionale di ricerca sulla scienza dell'informazione quantistica del Dipartimento dell'energia guidato dall'Argonne National Laboratory. "Tradurre la fisica di questi sistemi in un'architettura molecolare apre una potente cassetta degli attrezzi della chimica sintetica per consentire nuove funzionalità che stiamo appena iniziando a esplorare".

"I nostri risultati aprono una nuova area della chimica sintetica. Abbiamo dimostrato che il controllo sintetico della simmetria e del legame crea qubit che possono essere affrontati allo stesso modo dei difetti nei semiconduttori, " ha affermato Freedman. "Il nostro approccio dal basso verso l'alto consente sia la funzionalizzazione di singole unità come "qubit di design" per applicazioni target sia la creazione di array di stati quantistici facilmente controllabili, offrendo la possibilità di sistemi quantistici scalabili."

Una potenziale applicazione per queste molecole potrebbe essere costituita da sensori quantistici progettati per mirare a molecole specifiche. Tali sensori potrebbero trovare cellule specifiche all'interno del corpo, rilevare quando il cibo si deteriora, o persino individuare sostanze chimiche pericolose.

Questo approccio dal basso verso l'alto potrebbe anche aiutare a integrare le tecnologie quantistiche con le tecnologie classiche esistenti.

"Alcune delle sfide che le tecnologie quantistiche devono affrontare potrebbero essere superate con questo approccio dal basso molto diverso, " ha detto Sam Bayliss, uno studioso post-dottorato nel gruppo Awschalom presso la Pritzker School of Molecular Engineering dell'Università di Chicago e co primo autore dell'articolo. "L'utilizzo di sistemi molecolari nei diodi a emissione di luce è stato un cambiamento rivoluzionario; forse qualcosa di simile potrebbe accadere con i qubit molecolari".

Daniele Lorenza, uno studente laureato alla Northwestern University e co-primo autore, vede un enorme potenziale per l'innovazione chimica in questo spazio. "Questo controllo chimicamente specifico sull'ambiente intorno al qubit fornisce una preziosa funzionalità per integrare i qubit molecolari otticamente indirizzabili in un'ampia gamma di ambienti, " Egli ha detto.