Os pesquisadores alcançaram coerência quântica à temperatura ambiente incorporando um cromóforo absorvente de luz em uma estrutura metal-orgânica. Este avanço, que facilita a manutenção do estado de um sistema quântico sem interferência externa, marca um avanço significativo para a computação quântica e as tecnologias de detecção.
Os pesquisadores observam a coerência quântica de um estado de quinteto com quatro spins de elétrons em sistemas moleculares pela primeira vez à temperatura ambiente.
Em um estudo publicado em Avanços da Ciênciaum grupo de pesquisadores liderado pelo Professor Associado Nobuhiro Yanai da Faculdade de Engenharia da Universidade de Kyushu, em colaboração com o Professor Associado Kiyoshi Miyata da Universidade de Kyushu e o Professor Yasuhiro Kobori da Universidade de Kobe, relata que eles alcançaram coerência quântica à temperatura ambiente: a capacidade de um sistema quântico de manter um estado bem definido ao longo do tempo sem ser afetado por perturbações circundantes
Essa descoberta foi possível incorporando um cromóforo, uma molécula de corante que absorve luz e emite cor, em uma estrutura metal-orgânica, ou MOF, um material cristalino nanoporoso composto de íons metálicos e ligantes orgânicos.
Avanço das tecnologias quânticas
Suas descobertas marcam um avanço crucial para Computação quântica e tecnologias de detecção. Embora a computação quântica esteja posicionada como o próximo grande avanço da tecnologia de computação, a detecção quântica é uma tecnologia de detecção que utiliza as propriedades mecânicas quânticas dos qubits (análogos quânticos de bits na computação clássica que podem existir em uma superposição de 0 e 1).
Vários sistemas podem ser empregados para implementar qubits, sendo uma abordagem a utilização do spin intrínseco – uma propriedade quântica relacionada ao momento magnético de uma partícula – de um elétron. Os elétrons têm dois estados de spin: spin para cima e spin para baixo. Qubits baseados em spin podem existir em uma combinação desses estados e podem ser “emaranhados”, permitindo que o estado de um qubit seja inferido de outro.
A incorporação de um cromóforo em uma estrutura metal-orgânica suprimiu o movimento molecular o suficiente para manter a coerência quântica do estado do quinteto por mais de 100 nanossegundos. Crédito: Nobuhiro Yanai
Desafios na detecção quântica
Ao aproveitar a natureza extremamente sensível de um estado quântico emaranhado ao ruído ambiental, espera-se que a tecnologia de detecção quântica permita a detecção com maior resolução e sensibilidade em comparação com as técnicas tradicionais. No entanto, até agora, tem sido um desafio entrelaçar quatro elétrons e fazê-los responder a moléculas externas, ou seja, obter detecção quântica usando um MOF nanoporoso.
Notavelmente, os cromóforos podem ser usados para excitar elétrons com spins de elétrons desejáveis em temperatura ambiente através de um processo chamado fissão singlete. No entanto, à temperatura ambiente, as informações quânticas armazenadas em qubits perdem a superposição e o emaranhamento quântico. Como resultado, normalmente só é possível alcançar coerência quântica em temperaturas de nível de nitrogênio líquido.
Abordagem Inovadora para Coerência Quântica
Para suprimir o movimento molecular e alcançar a coerência quântica à temperatura ambiente, os pesquisadores introduziram um cromóforo baseado em pentaceno (hidrocarboneto aromático policíclico que consiste em cinco anéis de benzeno fundidos linearmente) em um MOF do tipo UiO. “O MOF neste trabalho é um sistema único que pode acumular cromóforos densamente. Além disso, os nanoporos dentro do cristal permitem que o cromóforo gire, mas em um ângulo muito restrito”, diz Yanai.
A estrutura MOF facilitou movimento suficiente nas unidades de pentaceno para permitir que os elétrons transitassem do estado tripleto para um estado quinteto, ao mesmo tempo que suprimiu suficientemente o movimento à temperatura ambiente para manter a coerência quântica do estado multiexciton quinteto. Ao fotoexcitar elétrons com pulsos de micro-ondas, os pesquisadores puderam observar a coerência quântica do estado por mais de 100 nanossegundos à temperatura ambiente. “Esta é a primeira coerência quântica de quintetos emaranhados à temperatura ambiente”, comenta um entusiasmado Kobori.
Implicações futuras para a computação quântica
Embora a coerência tenha sido observada apenas por nanossegundos, as descobertas abrirão caminho para o projeto de materiais para a geração de múltiplos qubits em temperatura ambiente. “Será possível gerar qubits de estado multiexciton quinteto de forma mais eficiente no futuro, procurando moléculas convidadas que possam induzir mais movimentos suprimidos e desenvolvendo estruturas MOF adequadas”, especula Yanai. “Isso pode abrir portas para a computação quântica molecular à temperatura ambiente baseada no controle de múltiplas portas quânticas e na detecção quântica de vários compostos alvo.”
Referência: “Coerência quântica à temperatura ambiente de multiexcitons emaranhados em uma estrutura metal-orgânica” por Akio Yamauchi, Kentaro Tanaka, Masaaki Fuki, Saiya Fujiwara, Nobuo Kimizuka, Tomohiro Ryu, Masaki Saigo, Ken Onda, Ryota Kusumoto, Nami Ueno, Harumi Sato, Yasuhiro Kobori, Kiyoshi Miyata e Nobuhiro Yanai, 3 de janeiro de 2024, Avanços da Ciência.
DOI: 10.1126/sciadv.adi3147
