Logran observar coherencia cuántica a temperatura ambiente

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Investigadores observan por primera vez a temperatura ambiente la coherencia cuántica.

U grupo de investigadores dirigido por el profesor asociado Nobuhiro Yanai de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Kyushu, en colaboración con el profesor asociado Kiyoshi Miyata de la Universidad de Kyushu y el profesor Yasuhiro Kobori de la Universidad de Kobe, informa que han logrado coherencia cuántica a temperatura ambiente:

La capacidad de un sistema cuántico de mantener un estado bien definido a lo largo del tiempo sin verse afectado por las perturbaciones circundantes.

Este avance fue posible mediante la incorporación de un cromóforo, una molécula de tinte que absorbe la luz y emite color, en una estructura organometálica, o MOF, un material cristalino nanoporoso compuesto de iones metálicos y ligandos orgánicos.

Sus hallazgos marcan un avance crucial para las tecnologías de detección y computación cuántica.

Si bien la computación cuántica se posiciona como el próximo gran avance de la tecnología informática, la detección cuántica es una tecnología de detección que utiliza las propiedades mecánicas cuánticas de los qubits (análogos cuánticos de bits en la computación clásica que pueden existir en una superposición de 0 y 1).

Se pueden emplear varios sistemas para implementar qubits, siendo un enfoque la utilización del espín intrínseco (una propiedad cuántica relacionada con el momento magnético de una partícula) de un electrón.

Los electrones tienen dos estados de espín: giro ascendente y descendente.

Los qubits basados en espín pueden existir en una combinación de estos estados y pueden “entrelazarse”, permitiendo inferir el estado de un qubit a partir de otro.

Al aprovechar la naturaleza extremadamente sensible de un estado cuántico entrelazado al ruido ambiental, se espera que la tecnología de detección cuántica permita detectar con mayor resolución y sensibilidad en comparación con las técnicas tradicionales.

Sin embargo, hasta ahora, ha sido un desafío entrelazar cuatro electrones y hacerlos responder a moléculas externas, es decir, lograr detección cuántica utilizando un MOF nanoporoso.

En particular, los cromóforos se pueden utilizar para excitar electrones con espines electrónicos deseables a temperatura ambiente mediante un proceso llamado fisión singlete.

Sin embargo, a temperatura ambiente, la información cuántica almacenada en qubits pierde superposición y entrelazamiento cuántico.

Como resultado, normalmente sólo es posible alcanzar la coherencia cuántica a temperaturas del nivel del nitrógeno líquido.

Para suprimir el movimiento molecular y lograr coherencia cuántica a temperatura ambiente, los investigadores introdujeron un cromóforo basado en pentaceno (un hidrocarburo aromático policíclico que consta de cinco anillos de benceno fusionados linealmente) en un MOF de tipo UiO.

“El MOF en este trabajo es un sistema único que puede acumular cromóforos densamente.

Además, los nanoporos dentro del cristal permiten que el cromóforo gire, pero en un ángulo muy restringido”, dice Yanai.

La estructura MOF facilitó suficiente movimiento en las unidades de pentaceno para permitir que los electrones pasaran del estado triplete a un estado quinteto, al tiempo que suprimió suficientemente el movimiento a temperatura ambiente para mantener la coherencia cuántica del estado multiexcitón del quinteto.

Al fotoexcitar electrones con pulsos de microondas, los investigadores pudieron observar la coherencia cuántica del estado durante más de 100 nanosegundos a temperatura ambiente.

“Ésta es la primera coherencia cuántica a temperatura ambiente de quintetos entrelazados”, comenta entusiasmado Kobori.

Si bien la coherencia se observó sólo durante nanosegundos, los hallazgos allanarán el camino para diseñar materiales para la generación de múltiples qubits a temperatura ambiente.

“Será posible generar quinteto de qubits de estado multiexcitón de manera más eficiente en el futuro buscando moléculas invitadas que puedan inducir más movimientos suprimidos y desarrollando estructuras MOF adecuadas“, especula Yanai.

“Esto puede abrir las puertas a la computación cuántica molecular a temperatura ambiente basada en el control de múltiples puertas cuánticas y la detección cuántica de varios compuestos objetivo“.

Fuente: Kyushu University