Впервые в мире стабильный кубит для квантовых компьютеров получен при комнатной температуре

Исследователи смогли достичь квантовой когерентности при комнатной температуре — это способность квантовой системы сохранять четко определенное состояние, не подвергаясь внешним возмущениям. Этот прорыв — важный шаг вперед в развитии квантовых компьютеров. С ними легче работать, если не нужно охлаждать их до невероятно низких температур.

Фундаментальной единицей информации в квантовых компьютерах является кубит. Как правило, они состоят из нескольких частиц, запутанных в определенном состоянии. Это означает, что независимо от расстояния между ними, любое взаимодействие с одной из них влияет на все частицы в этом состоянии. Это чрезвычайно полезно для вычислительной стороны вещей, но запутанное состояние также очень неустойчиво.

В этой работе команда добилась запутанного квинтетного состояния электронов. Они смогли создать его с помощью хромофора — молекулы красителя, которая поглощает свет и излучает определенную длину волны (или цвет), что делает ее идеальной для возбуждения электронов определенным образом, чтобы добраться до синглета. Но одного этого недостаточно. Хромофор был встроен в металлоорганический каркас (MOF), который представляет собой нанопористый кристаллический материал.

MOF был выбран таким образом, чтобы аккумулировать большое количество хромофоров, но при этом ограничить угол их движения. Они могут двигаться настолько, что, излучая цвет, возбуждают электроны в квинтетном состоянии, но ограничения движения подавляют дрожание, которое привело бы к разрушению этого состояния.

«Это первая квантовая когерентность запутанных квинтетов при комнатной температуре«, — сказал в своем заявлении соавтор работы профессор Ясухиро Кобори из Университета Кобе.

Команда смогла использовать микроволновое излучение для проверки состояния системы, показав, что она оставалась в состоянии квантовой когерентности более 100 наносекунд. Это ничтожная доля секунды, но она показывает, что квантовая когерентность достижима при комнатной температуре.

«В будущем можно будет более эффективно генерировать квинтетные мультиэксцитонные состояния кубитов путем поиска подходящих гостевых молекул, способных вызывать больше таких подавленных движений, и разработки подходящих MOF-структур«, — полагает старший автор работы доцент Нобухиро Янаи из Университета Кюсю. «Это может открыть двери к молекулярным квантовым вычислениям при комнатной температуре, основанным на множественном управлении квантовыми воротами и квантовом зондировании различных целевых соединений«.

Квантовое зондирование — это особенно захватывающее приложение. Используя чрезвычайно чувствительную природу квантовой запутанности (которая обычно является проблемой), исследователи считают, что они смогут разработать технологии зондирования с более высоким разрешением и чувствительностью по сравнению с теми, которые используются в настоящее время.

Исследование опубликовано в журнале Science Advances.