Un equipo de investigadores de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Kyushu, dirigido por el profesor asociado Nobuhiro Yanai, ha roto barreras al lograr la coherencia cuántica a temperatura ambiente. Su estudio revela la capacidad de mantener un estado cuántico bien definido, sin ser tocado por perturbaciones externas, aquí mismo en la superficie de la Tierra.
Generando Qubits estables a temperatura ambiente
En un emocionante avance científico, investigadores liderados 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 misma universidad y el Profesor Yasuhiro Kobori de la Universidad de Kobe, han logrado algo extraordinario: la coherencia cuántica a temperatura ambiente. Esto significa que han conseguido que un sistema cuántico mantenga un estado bien definido en el tiempo sin ser afectado por las perturbaciones del entorno.
La Clave: Un Cristal MOF y un Cromóforo
Este avance se hizo posible al incorporar un cromóforo, una molécula de tinte que absorbe la luz y emite color, en un marco metal-orgánico (MOF), un material cristalino nanoporoso compuesto por iones metálicos y ligandos orgánicos.
Implicaciones para la Computación y la Detección Cuántica
Este logro marca un hito crucial para las tecnologías de computación y detección cuántica. La computación cuántica se posiciona como el próximo gran avance en la tecnología informática, mientras que la detección cuántica utiliza las propiedades mecánicas cuánticas de los qubits (análogos cuánticos de los bits en la computación clásica que pueden existir en una superposición de 0 y 1).
Utilizando el Giro Electrónico
Varios sistemas se pueden emplear para implementar qubits, y una de las aproximaciones es utilizar el giro intrínseco, una propiedad cuántica relacionada con el momento magnético de una partícula, de un electrón. Los electrones tienen dos estados de giro: hacia arriba y hacia abajo. Los qubits basados en el giro pueden existir en una combinación de estos estados y pueden «entrelazarse», lo que permite inferir el estado de un qubit a partir de otro.
Sin embargo, hasta ahora, ha sido un desafío entrelazar cuatro electrones y hacer que respondan a moléculas externas, es decir, lograr la detección cuántica utilizando un MOF nanoporoso.
Es importante destacar que los cromóforos se pueden utilizar para excitar electrones con giros deseados a temperaturas ambiente a través de un proceso llamado fisión singlete. Sin embargo, a temperatura ambiente, esto suele hacer que la información cuántica almacenada en los qubits pierda su superposición cuántica y entrelazamiento. Por lo tanto, generalmente solo es posible lograr la coherencia cuántica a temperaturas extremadamente bajas.
La Solución: Pentaceno en un MOF
Para suprimir el movimiento molecular y lograr la coherencia cuántica a temperatura ambiente, los investigadores introdujeron un cromóforo basado en pentaceno (un hidrocarburo aromático policíclico que consiste en cinco anillos de benceno fusionados linealmente) en un MOF tipo UiO. «El MOF en este trabajo es un sistema único que puede acumular densamente cromóforos. Además, los nanoporos dentro del cristal permiten que el cromóforo rote, pero en un ángulo muy restringido», explica Yanai.
Un Logro Histórico
La estructura del MOF facilitó el movimiento suficiente en las unidades de pentaceno para permitir que los electrones hicieran la transición de un estado triplete a un estado quinteto, al tiempo que suprimía adecuadamente el movimiento a temperatura ambiente para mantener la coherencia cuántica del estado multiexcitón quinteto. Al fotodisparar los electrones con pulsos de microondas, los investigadores pudieron observar la coherencia cuántica del estado durante más de 100 nanosegundos a temperatura ambiente. «Esta es la primera coherencia cuántica a temperatura ambiente de quintetos entrelazados«, exclama emocionado Kobori.
Aunque la coherencia se observó solo durante nanosegundos, este descubrimiento allanará el camino para diseñar materiales que generen múltiples qubits a temperatura ambiente. «Será posible generar qubits en estado multiexcitón quinteto de manera más eficiente en el futuro al buscar moléculas invitadas que puedan inducir más movimientos restringidos y desarrollar 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«. El futuro de la informática y la detección cuántica promete ser emocionante.
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