Un gruppo di ricercatori riferisce di aver raggiunto la coerenza quantistica a temperatura ambiente, ovvero la capacità di un sistema quantistico di mantenere uno stato ben definito nel tempo senza essere influenzato dai disturbi circostanti
Questa svolta è stata resa possibile incorporando un cromoforo, una molecola colorante che assorbe la luce ed emette colore, in una struttura metallo-organica, o MOF, un materiale cristallino nanoporoso composto da ioni metallici e ligandi organici. La ricerca è pubblicata sulla rivista Science Advances .
Il gruppo di ricerca è stato guidato dal professore associato Nobuhiro Yanai della Facoltà di ingegneria dell'Università di Kyushu, in collaborazione con il professore associato Kiyoshi Miyata dell'Università di Kyushu e il professor Yasuhiro Kobori dell'Università di Kobe.
Le loro scoperte segnano un progresso cruciale per le tecnologie di calcolo e rilevamento quantistico. Sebbene l'informatica quantistica sia posizionata come il prossimo grande progresso della tecnologia informatica, il rilevamento quantistico è una tecnologia di rilevamento che utilizza le proprietà quantomeccaniche dei qubit (analoghi quantistici dei bit nell'informatica classica che possono esistere in una sovrapposizione di 0 e 1).
Vari sistemi possono essere impiegati per implementare i qubit, tra cui un approccio è l’utilizzo dello spin intrinseco – una proprietà quantistica correlata al momento magnetico di una particella – di un elettrone. Gli elettroni hanno due stati di spin:spin up e spin down. I qubit basati sullo spin possono esistere in una combinazione di questi stati e possono essere "entangled", consentendo di dedurre lo stato di un qubit da un altro.
Sfruttando la natura estremamente sensibile di uno stato quantistico entangled al rumore ambientale, si prevede che la tecnologia di rilevamento quantistico consentirà il rilevamento con risoluzione e sensibilità più elevate rispetto alle tecniche tradizionali. Tuttavia, finora, è stato difficile intrecciare quattro elettroni e farli rispondere a molecole esterne, ovvero ottenere il rilevamento quantistico utilizzando un MOF nanoporoso.
In particolare, i cromofori possono essere utilizzati per eccitare gli elettroni con spin elettronici desiderabili a temperatura ambiente attraverso un processo chiamato fissione singoletto. Tuttavia, a temperatura ambiente, le informazioni quantistiche archiviate nei qubit perdono la sovrapposizione e l’entanglement quantistico. Di conseguenza, di solito è possibile raggiungere la coerenza quantistica solo a temperature pari a quelle dell'azoto liquido.
Per sopprimere il movimento molecolare e ottenere la coerenza quantistica a temperatura ambiente, i ricercatori hanno introdotto un cromoforo basato sul pentacene (idrocarburo policiclico aromatico costituito da cinque anelli benzenici fusi linearmente) in un MOF di tipo UiO. "Il MOF in questo lavoro è un sistema unico che può accumulare densamente cromofori. Inoltre, i nanopori all'interno del cristallo consentono al cromoforo di ruotare, ma con un angolo molto contenuto", afferma Yanai.
La struttura MOF ha facilitato un movimento sufficiente nelle unità pentaceniche per consentire agli elettroni di passare dallo stato di tripletto a uno stato di quintetto, sopprimendo allo stesso tempo sufficientemente il movimento a temperatura ambiente per mantenere la coerenza quantistica dello stato multieccitone di quintetto. Dopo la fotoeccitazione degli elettroni con impulsi a microonde, i ricercatori hanno potuto osservare la coerenza quantistica dello stato per oltre 100 nanosecondi a temperatura ambiente. "Questa è la prima coerenza quantistica a temperatura ambiente di quintetti entangled", afferma Kobori.
Sebbene la coerenza sia stata osservata solo per nanosecondi, i risultati apriranno la strada alla progettazione di materiali per la generazione di più qubit a temperatura ambiente. "Sarà possibile generare quintetti di stati multieccitoni in modo più efficiente in futuro cercando molecole ospiti che possano indurre più movimenti soppressi e sviluppando strutture MOF adeguate", afferma Yanai. "Questo può aprire le porte al calcolo quantistico molecolare a temperatura ambiente basato sul controllo di porte quantistiche multiple e sul rilevamento quantistico di vari composti bersaglio."
Ulteriori informazioni: Akio Yamauchi et al, Coerenza quantistica a temperatura ambiente di multieccitoni entangled in una struttura metallo-organica, Progressi scientifici (2024). DOI:10.1126/sciadv.adi3147
Informazioni sul giornale: La scienza avanza
Fornito dall'Università di Kyushu
