Cientistas japoneses geram os “primeiros” qubits estáveis à temperatura ambiente 18 DE JANEIRO DE 2024
Cientistas japoneses geram os “primeiros” qubits estáveis à temperatura ambiente
18 DE JANEIRO DE 2024
Uma equipe de pesquisadores da Faculdade de Engenharia da Universidade de Kyushu, liderada pelo Professor Associado Nobuhiro Yanai, quebrou barreiras ao alcançar a coerência quântica à temperatura ambiente. O seu estudo revela a capacidade de manter um estado quântico bem definido, intocado por perturbações externas, aqui mesmo na superfície da Terra.
Gerando Qubits estáveis em temperatura ambiente
Num avanço científico emocionante, investigadores liderados pelo Professor Associado Nobuhiro Yanai da Faculdade de Engenharia da Universidade de Kyushu, em colaboração com o Professor Associado Kiyoshi Miyata da mesma universidade e o Professor Yasuhiro Kobori da Universidade de Kobe, alcançaram algo extraordinário: coerência quântica na sala temperatura. Isto significa que conseguiram garantir que um sistema quântico mantém um estado bem definido ao longo do tempo sem ser afetado por perturbações ambientais.
A chave: um cristal MOF e um cromóforo
Esse avanço foi possível com a incorporação de um cromóforo, uma molécula de corante que absorve luz e emite cor, em uma estrutura metal-orgânica (MOF), um material cristalino nanoporoso composto por íons metálicos e ligantes orgânicos.
Implicações para computação e detecção quântica
Esta conquista marca um marco crucial para a computação quântica e as tecnologias de detecção. A computação quântica está posicionada como o próximo grande avanço na tecnologia de computação, enquanto a detecção quântica utiliza as propriedades mecânicas quânticas dos qubits (análogos quânticos dos bits na computação clássica que podem existir em uma superposição de 0s e 1s).
Usando a volta eletrônica
Diversos sistemas podem ser utilizados para implementar qubits, e uma das abordagens é utilizar o spin intrínseco, uma propriedade quântica relacionada ao momento magnético de uma partícula, um elétron. Os elétrons têm dois estados de spin: para cima e para baixo. Qubits baseados em spin podem existir em uma combinação desses estados e podem “enredar”, permitindo que o estado de um qubit seja inferido de outro.
Porém, até agora, tem sido um desafio emaranhar quatro elétrons e fazê-los responder a moléculas externas, ou seja, conseguir a detecção quântica usando um MOF nanoporoso.
É importante ressaltar que os cromóforos podem ser usados para excitar elétrons com spins desejados em temperatura ambiente por meio de um processo chamado fissão singlete. No entanto, à temperatura ambiente, isso normalmente faz com que as informações quânticas armazenadas nos qubits percam sua superposição e emaranhamento quântico. Portanto, geralmente só é possível alcançar a coerência quântica em temperaturas extremamente baixas.
A solução: Pentaceno em um MOF
Para suprimir o movimento molecular e alcançar coerência quântica à temperatura ambiente, os pesquisadores introduziram um cromóforo baseado em pentaceno (um 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”, explica Yanai.
Uma conquista histórica
A estrutura MOF facilitou movimento suficiente nas unidades de pentaceno para permitir que os elétrons transitassem de um estado tripleto para um estado quinteto, enquanto suprimia adequadamente o movimento à temperatura ambiente para manter a coerência quântica do estado multiexciton quinteto.
Ao fotoativar os elétrons com pulsos de micro-ondas, os pesquisadores conseguiram 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 ”, exclama Kobori com entusiasmo.
Embora a coerência tenha sido observada apenas por nanossegundos, esta descoberta abrirá caminho para o projeto de materiais que geram múltiplos qubits à temperatura ambiente. “ Será possível gerar qubits de estado multiexciton quinteto de forma mais eficiente no futuro, procurando moléculas hóspedes que possam induzir movimentos mais restritos e desenvolver estruturas MOF adequadas ”, especula Yanai. “
Embora a coerência tenha sido observada apenas por nanossegundos, esta descoberta abrirá caminho para o projeto de materiais que geram múltiplos qubits à temperatura ambiente. “ Será possível gerar qubits de estado multiexciton quinteto de forma mais eficiente no futuro, procurando moléculas hóspedes que possam induzir movimentos mais restritos e desenvolver estruturas MOF adequadas ”, especula Yanai. “
Isso pode abrir as portas para a computação quântica molecular à temperatura ambiente baseada no controle de múltiplas portas quânticas e na detecção quântica de múltiplos compostos alvo .” O futuro da computação e detecção quântica promete ser emocionante.