在室温下生成稳定的量子比特
在金属有机框架中加入发色团足以抑制分子运动，以保持五重态的量子相干性超过 100 纳秒。图片来源：柳井信弘
一组研究人员报告说，他们已经在室温下实现了量子相干性，这是量子系统随着时间的推移保持明确状态而不受周围干扰影响的能力
这一突破是通过在金属有机框架（MOF）中嵌入发色团（一种吸收光并发出颜色的染料分子）来实现的，MOF是一种由金属离子和有机配体组成的纳米多孔晶体材料。该研究发表在《科学进展》杂志上。
该研究团队由九州大学工学部的柳井信弘副教授领导，与九州大学的宫田清副教授和神户大学的小堀康弘教授合作。
他们的发现标志着量子计算和传感技术的重要进步。虽然量子计算被定位为计算技术的下一个重大进步，但量子传感是一种利用量子比特（经典计算中比特的量子类似物，可以以 0 和 1 的叠加形式存在的量子力学特性）的传感技术。
可以使用各种系统来实现量子比特，其中一种方法是利用电子的固有自旋（与粒子磁矩相关的量子特性）。电子有两种自旋状态：自旋和自旋。基于自旋的量子比特可以以这些状态的组合存在，并且可以“纠缠”，从而允许从一个量子比特的状态从另一个量子比特推断出来。
通过利用量子纠缠态对环境噪声的极其敏感的特性，与传统技术相比，量子传感技术有望实现具有更高分辨率和灵敏度的传感。然而，到目前为止，纠缠四个电子并使其响应外部分子，即使用纳米多孔MOF实现量子传感一直具有挑战性。
值得注意的是，发色团可用于通过称为单线态裂变的过程在室温下激发具有所需电子自旋的电子。然而，在室温下会导致存储在量子比特中的量子信息失去量子叠加和纠缠。因此，通常只能在液氮水平温度下实现量子相干性。
为了抑制分子运动并实现室温量子相干性，研究人员在UiO型MOF中引入了一种基于五苯（由五个线性熔融苯环组成的多环芳烃）的发色团。“这项工作中的MOF是一个独特的系统，可以密集地积累发色团。此外，晶体内部的纳米孔使发色团能够旋转，但角度非常受限，“柳井说。
MOF结构促进了五苯单元中足够的运动，使电子能够从三重态跃迁到五重态，同时也充分抑制了室温下的运动，以保持五重激子态的量子相干性。在用微波脉冲激发电子时，研究人员可以在室温下观察状态的量子相干性超过100纳秒。“这是纠缠五重奏的第一个室温量子相干性，”Kobori说。
虽然只观察到纳秒的相干性，但这些发现将为设计在室温下生成多个量子比特的材料铺平道路。“通过寻找可以诱导更多此类抑制运动的客体分子并开发合适的MOF结构，未来将有可能更有效地生成五重奏多激子态量子比特，”Yanai说。“这可以为基于多量子门控制和各种目标化合物的量子传感的室温分子量子计算打开大门。”
更多信息：Akio Yamauchi 等人，金属有机框架中纠缠多重激子的室温量子相干性，《科学进展》（2024 年）。DOI： 10.1126/sciadv.adi3147
期刊信息： Science Advances
来自：量子梦