在室温下产生稳定的量子位

　　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，这是量子系统在一段时间内保持良好定义状态而不受周围干扰影响的能力

　　这一突破是通过将发色团(一种吸收光并发出颜色的染料分子)嵌入金属有机框架(MOF)(一种由金属离子和有机配体组成的纳米多孔晶体材料)而实现的。这项研究发表在《科学进展》杂志上。

　　该研究小组由九州大学工程学院副教授Nobuhiro Yanai领导，与九州大学副教授Kiyoshi Miyata和神户大学教授Yasuhiro Kobori合作。

　　他们的发现标志着量子计算和传感技术的重大进步。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。

　　不同的系统可以用来实现量子位，其中一种方法是利用电子的内在自旋——一种与粒子磁矩相关的量子特性。电子有两种自旋状态:向上自旋和向下自旋。基于自旋的量子比特可以存在于这些状态的组合中，并且可以“纠缠”，从而允许从一个量子比特的状态推断出另一个量子比特的状态。

　　通过利用量子纠缠态对环境噪声极其敏感的特性，量子传感技术有望实现比传统技术更高的分辨率和灵敏度。然而，到目前为止，缠绕四个电子并使它们对外部分子做出反应一直是一个挑战，即使用纳米多孔MOF实现量子传感。

　　值得注意的是，发色团可以在室温下通过称为单线态裂变的过程激发具有理想电子自旋的电子。然而，在室温下，存储在量子位中的量子信息会失去量子叠加和纠缠。因此，通常只有在液氮水平的温度下才能实现量子相干性。

　　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中引入了一种基于并五苯(由五个线性融合苯环组成的多环芳香烃)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，但角度非常有限，”柳井说。

　　MOF结构促进了并五烯单元中足够的运动，使电子从三重态过渡到五态，同时也充分抑制了室温下的运动，以保持五态多激子态的量子相干性。在用微波脉冲光激发电子的情况下，研究人员可以在室温下观察到超过100纳秒的量子相干性。“这是第一个纠缠五元的室温量子相干性，”Kobori说。

　　虽然相干性仅在纳秒内被观察到，但这一发现将为在室温下产生多个量子位的材料的设计铺平道路。柳井说:“在未来，通过寻找能够诱导更多这种抑制运动的客体分子和开发合适的MOF结构，将有可能更有效地产生五种多激子态量子位。”“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。”