Oamenii de știință au construit un qubit, sau un bit cuantic, care poate obține „coerență cuantică” la temperatura camerei – ceva în mod normal posibil doar la temperaturi apropiate de zero absolut.
Pentru a obține coerența cuantică — o stare stabilă în care legile ciudate ale mecanica cuantică pot fi observați — qubiții trebuie în mod normal să fie răciți la minus 459 grade Fahrenheit (minus 273 grade Celsius) sau cedează în fața perturbărilor și eșuează, ceea ce este cunoscut sub numele de decoerență.
Pentru a evita acest lucru, noul qubit a folosit un cromofor pe bază de pentacen – o moleculă de colorant care absoarbe lumina și emite culoare – încorporat într-un nou cadru metal-organic (MOF). Proprietățile sale au însemnat că oamenii de știință ar putea observa pentru scurt timp coerența cuantică la temperatura camerei, au spus oamenii de știință într-o nouă lucrare publicată pe 3 ianuarie în jurnal. Progresele științei.
În timp ce computerele clasice codifică datele în biți – exprimați fie ca 1, fie ca 0 – computerele cuantice folosesc qubiți, care pot fi exprimați ca o suprapunere a 1 și 0, ceea ce înseamnă că pot fi ambele stări în același timp până când sunt observate fizic.
Legate de: Primul semiconductor de grafen din lume ar putea alimenta viitoarele computere cuantice
Majoritatea qubiților fizici creează o suprapunere între pozițiile de spin-up și spin-down ale unui electron – două stări binare care se comportă ca 1 și 0. În mod normal, sunt o linie de metal, sau o buclă minusculă, care se comportă ca un atom. Google folosește aluminiu în qubiti, în timp ce IBM folosește un amestec de aluminiu și niobiu, potrivit științific american.
Mai mulți qubiți care codifică informații prin spin de electroni pot fi, de asemenea, alăturați legatura cuantica – când stările a două sau mai multe particule sunt legate – ceea ce înseamnă că qubiții încâlciți pot exista în mai multe stări simultan. Acesta este ceea ce face ca computerele cuantice să fie mult mai puternice decât computerele clasice dacă sunt construite cu destui qubiți.
Cum funcționează noul tip de qubit
Electronii din cromofori pot fi excitați printr-un proces numit fisiune singlet, în care absorb lumina și își schimbă stările de spin. În trecut, cercetătorii au folosit fisiunea singlet pentru a crea suprapunerea în qubiți, dar au reușit acest lucru doar sub minus 324 F (minus 198 C), au scris oamenii de știință în lucrare.
Pentru noul studiu, oamenii de știință au folosit un cromofor bazat pe hidrocarbură pentacenă, în care inele pentagonale de carbon și hidrogen sunt legate între ele. Pentru a atinge aceeași stare cuantică la temperaturi mai ridicate, cercetătorii au prins moleculele cromoforului în MOF – un material cristalin unic compus din ioni metalici și legat de molecule organice.
MOF a restricționat aproape complet mișcarea moleculei de colorant, ajutând la menținerea oricăror electroni excitați într-o stare încurcată. Oamenii de știință au excitat apoi electronii din cromofor prin fisiune singlet, expunându-i la impulsuri de microunde. Găurile minuscule din structura cristalină, cunoscute sub numele de nanopori, au permis electronilor să se rotească la un unghi mic și specific, autorul principal al studiului. Nobuhiro Yanaiun profesor asociat de chimie la Universitatea Kyushu, a spus într-un afirmație.
Această ușoară rotație a permis electronilor excitați să treacă de la două perechi de electroni în „stări triplete” excitate – în care electronii de pe orbite moleculare diferite au spin paralel – într-un set de patru electroni în „starea cvintetului” mai puțin stabilă, în care electronul rotațiile sunt antiparalele, adică sunt paralele, dar se mișcă în direcții opuse. În această stare de cvintet, domină legile mecanicii cuantice.
În urma acestui proces, cercetătorii au observat coerența cuantică în acești patru electroni în stare de cvintet timp de peste 100 de nanosecunde la temperatura camerei (o nanosecundă este o miliardime de secundă).
Urmărirea calculatoarelor cuantice la temperatura camerei
Este prima coerență cuantică la temperatura camerei a electronilor în stare de cvintet încâlciți, a spus coautorul studiului. Yasuhiro Koboriprofesor de chimie la Universitatea Kobe, în declarație.
În activitatea ulterioară, echipa speră să creeze qubiți mai stabili prin adăugarea altor molecule „oaspeți” care limitează și mai mult mișcarea electronilor sau jucându-se cu structura de bază a MOF, a spus Yanai în declarație.
Deși este puțin probabil ca noua cercetare să conducă la calculul cuantic la temperatura camerei în viitorul apropiat, descoperirea se adaugă la corpul de lucru care a fost efectuat în construirea de qubiți care pot atinge coerența cuantică la temperatura camerei. Într-adevăr, producerea de qubiți stabili la temperatura camerei a fost o speranță de mult timp, Vlatko Vedralprofesor de știință a informațiilor cuantice la Universitatea din Oxford, a declarat pentru Live Science.
Un astfel de calcul la temperatura camerei ar evita necesitatea corectării erorilor, a spus el. Acest lucru se datorează faptului că, pentru a funcționa la temperatura camerei, qubiții ar trebui, prin proiectare, să reziste forțelor perturbatoare care îi fac instabili și predispuși la decoerență.
„În această lucrare, sunt într-adevăr raportați timpi lungi de coerență a rotației, ceea ce reprezintă un progres semnificativ”, a spus el. „Cu toate acestea, nu sunt sigur cât de ușor este să extinzi acest lucru și, în special, cât de ușor este să controlezi interacțiunile dintre qubiți. Mi se pare că acesta va fi blocajul, deoarece qubiții izolați cu timpi de coerență lungi nu sunt. de mare folos pentru calculul cuantic”. Cu alte cuvinte, pentru a face un computer puternic, aveți nevoie de mulți qubiți pentru a efectua calcule.
În ciuda îndoielii cu privire la utilitatea acestei descoperiri specifice, Vedral a salutat-o drept „o piatră de hotar importantă”, adăugând că acest corp de cercetare este mai promițător pe termen lung decât dezvoltarea modalităților de a efectua corectarea erorilor cuantice.