חוקרים השיגו קוהרנטיות קוונטית בטמפרטורת החדר על ידי הטמעת כרומופור סופג אור בתוך מסגרת מתכת אורגנית. פריצת דרך זו, המאפשרת את התחזוקה של מצב מערכת קוונטית ללא הפרעות חיצוניות, מסמנת התקדמות משמעותית עבור טכנולוגיות מחשוב וחישה קוונטי.
חוקרים צופים בקוהרנטיות הקוונטית של מצב חמישייה עם ארבעה ספינים של אלקטרונים במערכות מולקולריות לראשונה בטמפרטורת החדר.
במחקר שפורסם ב התקדמות המדעקבוצת חוקרים בראשות פרופסור-משנה נובוהירו ינאי מהפקולטה להנדסה באוניברסיטת קיושו, בשיתוף פרופסור חבר קיושי מיאטה מאוניברסיטת קיושו ופרופסור יאסוהירו קובורי מאוניברסיטת קובה, מדווחת שהם השיגו קוהרנטיות קוונטית בטמפרטורת החדר: היכולת של מערכת קוונטית לשמור על מצב מוגדר היטב לאורך זמן מבלי להיות מושפע מהפרעות מסביב
פריצת דרך זו התאפשרה על ידי הטמעת כרומופור, מולקולת צבע שסופגת אור ופולטת צבע, במסגרת מתכת אורגנית, או MOF, חומר גבישי ננו-נקבי המורכב מיוני מתכת וליגנדים אורגניים.
קידום טכנולוגיות קוונטים
הממצאים שלהם מסמנים התקדמות מכרעת עבור מחשוב קוונטי וטכנולוגיות חישה. בעוד שמחשוב קוונטי מוצב בתור ההתקדמות הגדולה הבאה של טכנולוגיית המחשוב, חישה קוונטית היא טכנולוגיית חישה המנצלת את התכונות המכאניות הקוונטיות של קיוביטים (אנלוגים קוונטיים של ביטים במחשוב קלאסי שיכולים להתקיים בסופרפוזיציה של 0 ו-1).
ניתן להשתמש במערכות שונות כדי ליישם קיוביטים, כאשר גישה אחת היא ניצול של ספין פנימי – תכונה קוונטית הקשורה למומנט המגנטי של חלקיק – של אלקטרון. לאלקטרונים שני מצבי ספין: ספין למעלה וספין למטה. קוויביטים המבוססים על ספין יכולים להתקיים בשילוב של מצבים אלה ויכולים להיות "מסבכים", ומאפשרים להסיק את מצבו של קיוביט אחד ממצב אחר.
שילוב כרומופור במסגרת מתכת אורגנית דיכא את התנועה המולקולרית כדי לשמור על הקוהרנטיות הקוונטית של מצב החמישייה במשך יותר מ-100 ננו-שניות. קרדיט: נובוהירו ינאי
אתגרים בחישה קוונטית
על ידי מינוף האופי הרגיש במיוחד של מצב קוונטי לרעש סביבתי, צפויה טכנולוגיית החישה הקוונטית לאפשר חישה ברזולוציה ורגישות גבוהה יותר בהשוואה לטכניקות מסורתיות. עם זאת, עד כה, זה היה מאתגר לסבך ארבעה אלקטרונים ולגרום להם להגיב למולקולות חיצוניות, כלומר, להשיג חישה קוונטית באמצעות MOF ננו-נקבי.
יש לציין כי ניתן להשתמש בכרומופורים כדי לעורר אלקטרונים עם ספינים אלקטרוניים רצויים בטמפרטורת החדר באמצעות תהליך הנקרא ביקוע יחיד. עם זאת, בטמפרטורת החדר גורמת למידע הקוונטי המאוחסן בקיוביטים לאבד סופרפוזיציה קוונטית ולהסתבכות. כתוצאה מכך, בדרך כלל ניתן להשיג קוהרנטיות קוונטית רק בטמפרטורות של רמת חנקן נוזלי.
גישה חדשנית לקוהרנטיות קוונטית
כדי לדכא את התנועה המולקולרית ולהשיג קוהרנטיות קוונטית בטמפרטורת החדר, הציגו החוקרים כרומופור המבוסס על פנטאצן (פחמימן ארומטי פוליציקלי המורכב מחמש טבעות בנזן שהתמזגו ליניארית) ב-MOF מסוג UiO. "ה-MOF בעבודה זו היא מערכת ייחודית שיכולה לצבור כרומופורים בצפיפות. בנוסף, הננו-נקבים בתוך הגביש מאפשרים לכרומופור להסתובב, אבל בזווית מאופקת מאוד", אומר ינאי.
מבנה MOF הקל על תנועה מספקת ביחידות הפנטאצן כדי לאפשר לאלקטרונים לעבור ממצב טריפלט למצב חמישייה, תוך דיכוי מספיק של תנועה בטמפרטורת החדר כדי לשמור על קוהרנטיות קוונטית של מצב מולטי-אקסציטון החמישייה. עם אלקטרונים מעוררי צילום עם פולסים של מיקרוגל, החוקרים יכלו לראות את הקוהרנטיות הקוונטית של המצב במשך יותר מ-100 ננו-שניות בטמפרטורת החדר. "זוהי הקוהרנטיות הקוונטית הראשונה בטמפרטורת החדר של חמישיות סבכות", מעיר קובורי נרגש.
השלכות עתידיות עבור מחשוב קוונטי
בעוד שהקוהרנטיות נצפתה רק למשך ננו-שניות, הממצאים יסללו את הדרך לתכנון חומרים לייצור קיוביטים מרובים בטמפרטורת החדר. "ניתן יהיה ליצור קיוביטים של מצבי מולטי-אקסציטון חמישיות בצורה יעילה יותר בעתיד על ידי חיפוש מולקולות אורחות שיכולות לגרום לתנועות מדוכאות נוספות ועל ידי פיתוח מבני MOF מתאימים", משער ינאי. "זה יכול לפתוח דלתות למחשוב קוונטי מולקולרי בטמפרטורת החדר המבוסס על בקרת שערים קוונטיים מרובים וחישה קוונטית של תרכובות מטרה שונות."
