Японские ученые создали кубит, работающий при комнатной температуре

Ученые создали кубит или квантовый бит, который может достигать «квантовой когерентности» при комнатной температуре. Ранее это было возможно только при температурах, близких к абсолютному нулю.

Чтобы достичь квантовой когерентности — стабильного состояния, в котором можно наблюдать странные законы квантовой механики — кубиты обычно должны быть охлаждены до минус 273 градуса по Цельсию, иначе они поддаются возмущениям и выходят из строя, явление, известное как декогеренция.

Чтобы обойти эту проблему, новый кубит использовал хромофор на основе пентацена — молекулу красителя, которая поглощает свет и излучает цвет — встроенный в новый металлоорганический каркас (MOF). Его свойства означают, что ученые могут кратковременно наблюдать квантовую когерентность при комнатной температуре. Подробнее информация изложена в новой статье, опубликованной 3 января в журнале Science Advances.

В то время как классические компьютеры кодируют данные в битах, выраженных как 1 или 0, квантовые компьютеры используют кубиты, которые можно выразить как суперпозицию 1 и 0, что означает, что они могут находиться в обоих состояниях одновременно, пока их не наблюдают физически.

Большинство физических кубитов создают суперпозицию между положениями электрона со спином вверх и вниз — два бинарных состояния, которые ведут себя как 1 и 0. Обычно они представляют собой линию металла или крошечную петлю, которая ведет себя как атом. Google использует алюминий в своих кубитах, а IBM использует смесь алюминия и ниобия.

Несколько кубитов, которые кодируют информацию через спин электрона, также могут быть соединены посредством квантовой запутанности — когда состояния двух или более частиц связаны — это означает, что запутанные кубиты могут существовать во многих состояниях одновременно. Именно это делает квантовые компьютеры потенциально намного более мощными, чем классические компьютеры, если они построены с достаточным количеством кубитов.

Как работает новый тип кубита

Электроны в хромофоре могут возбуждаться посредством процесса, называемого синглетным делением, при котором они поглощают свет и меняют свое спиновое состояние.

В прошлом исследователи уже использовали синглетное деление для создания суперпозиции в кубитах, но они достигали этого только при температуре ниже минус 198 C.

Для нового исследования ученые использовали хромофор на основе пентаценового углеводорода, в котором пятиугольные кольца углерода и водорода соединены вместе. Чтобы достичь того же квантового состояния при более высоких температурах, исследователи поймали молекулы хромофора в MOF — уникальном кристаллическом материале, состоящем из ионов металлов и связанных органическими молекулами.

MOF почти полностью ограничивал движение молекул красителя, помогая удерживать возбужденные электроны в запутанном состоянии. Затем ученые возбудили электроны в хромофоре посредством синглетного деления, подвергнув их воздействию микроволновых импульсов. Крошечные отверстия в кристаллической структуре, известные как нанопоры, позволяют электронам вращаться на крошечный и определенный угол, поясняет ведущий автор исследования Нобухиро Янаи, доцент кафедры химии Университета Кюсю. 

Это небольшое вращение позволило возбужденным электронам перейти из двух пар электронов в возбужденных «тройных состояниях» — в которых электроны с разных молекулярных орбит имеют параллельные спины — в один набор из четырех электронов в менее стабильном «квинтетном состоянии», в котором электрон спины антипараллельны — это означает, что они параллельны, но движутся в противоположных направлениях. В этом квинтетном состоянии доминируют законы квантовой механики.

После этого процесса исследователи наблюдали квантовую когерентность в этих четырех электронах в квинтетном состоянии в течение более 100 наносекунд при комнатной температуре (одна наносекунда — это миллиардная доля секунды).

Это первая квантовая когерентность запутанных электронов в квинтетном состоянии при комнатной температуре.

В ходе последующей работы команда надеется создать более стабильные кубиты, добавляя другие «гостевые» молекулы, которые еще больше ограничивают движение электронов, или экспериментируя с базовой структурой MOF.