Японские ученые создали кубит, работающий при комнатной температуре

На модерации Отложенный

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.