科學家宣布室溫下首個穩(wěn)定量子比特已經(jīng)實現(xiàn)

近日，在日本九州大學工程學院副教授柳井伸宏及其研究團隊的努力下，室溫下的量子相干已經(jīng)實現(xiàn)，日本九州大學的宮田清副教授和神戶大學的小堀康弘教授對此也功不可沒。他們的研究揭示了在地球表面就能保持定義明確的量子態(tài)，不受外部干擾的影響。

他們的科學實驗得出了一組理想的條件，在室溫下通過微波操縱在五元子級中產(chǎn)生量子自旋相干性至關重要，因為量子系統(tǒng)需要在不受環(huán)境干擾的穩(wěn)定狀態(tài)下運行一段時間。

小堀康弘教授在一份相關文件中披露了多部門的研究成果，這是首次實現(xiàn)糾纏五元體的室溫量子相干。這一發(fā)現(xiàn)的關鍵在于發(fā)色團——一種光吸收染料分子與金屬有機框架（MOF），由金屬離子和有機配體組成的納米多孔晶體材料的結(jié)合。

上述的一定時間僅以納秒為單位，因此還需要進行更多的實驗工作和進一步的改進，以延長這一狀態(tài)，形成更好的條件。

他們的研究成果標志著量子計算和傳感技術(shù)取得了重大進展。量子計算被定位為計算技術(shù)的下一個重大進步，而量子傳感則是一種利用量子比特（經(jīng)典計算中比特的量子類似物，可存在于0和1的疊加中）的量子力學特性的傳感技術(shù)。

實現(xiàn)量子比特可以采用多種系統(tǒng)，其中一種方法是利用電子的固有自旋——一種與粒子磁矩相關的量子特性。電子有兩種自旋狀態(tài)：自旋上升和自旋下降。基于自旋的量子位可以在這兩種狀態(tài)的組合中存在，并且可以“糾纏”，從而可以從一個量子位推斷出另一個量子位的狀態(tài)。

利用量子糾纏態(tài)對環(huán)境噪聲極其敏感的特性，量子傳感技術(shù)有望實現(xiàn)比傳統(tǒng)技術(shù)更高分辨率和靈敏度的傳感。然而，迄今為止，要糾纏四個電子并使其對外部分子做出反應，即利用納米多孔MOF實現(xiàn)量子傳感，一直是一項挑戰(zhàn)。

值得注意的是，發(fā)色團在室溫下可通過一種稱為單子裂變的過程激發(fā)具有理想電子自旋的電子。然而，室溫會導致量子比特中存儲的量子信息失去量子疊加和糾纏。因此，通常只有在液氮溫度下才能實現(xiàn)量子相干。

為了抑制分子運動并實現(xiàn)室溫量子相干性，研究人員在UiO型MOF中引入了一種基于五碳烯（由五個線性融合的苯環(huán)組成的多環(huán)芳烴）的發(fā)色團。“這項研究中的 MOF 是一種獨特的系統(tǒng)，可以密集地積聚發(fā)色團。此外，晶體內(nèi)部的納米孔使發(fā)色團能夠旋轉(zhuǎn)，但角度非常有限。”柳井伸宏教授說。

MOF結(jié)構(gòu)促進了并五苯單元的足夠運動， 使電子從三重態(tài)過渡到五重態(tài)，同時在室溫下也充分抑制了運動，以保持五重多激子態(tài)的量子相干性。用微波脈沖對電子進行光激發(fā)后，研究人員可以在室溫下觀察到超過100納秒的量子相干性。小堀康弘表示，這是糾纏五元體的首次室溫量子相干。

雖然只觀測到了納秒級的相干性，但這些發(fā)現(xiàn)將為設計在室溫下生成多個量子比特的材料鋪平道路。通過尋找能誘導更多此類被抑制運動的客體分子，并開發(fā)合適的M O F結(jié)構(gòu)，未來將有可能更高效地生成五元組多激子態(tài)量子比特。這將為基于多量子門控制和各種目標化合物的量子傳感的室溫分子量子計算打開大門。（ 綜合整理報道） （ 策劃/羅媛）