اپتیک و کوانتوم

محققان همدوسی کوانتومی یک حالت پنجگانه با چهار اسپین الکترون را در سیستم های مولکولی برای اولین بار در دمای اتاق مشاهده کردند. در مطالعه ای که در Science Advances منتشر شده است، گروهی از محققان به رهبری دانشیار نوبوهیرو یانای از دانشکده مهندسی دانشگاه کیوشو، با همکاری استادیار کیوشی میاتا از دانشگاه کیوشو و پروفسور یاسوهیرو کوبوری از دانشگاه کوبه، گزارش می دهند که به همدوسی کوانتومی در دمای اتاق (توانایی یک سیستم کوانتومی برای حفظ یک حالت کاملاً تعریف شده در طول زمان بدون تحت تأثیر قرار گرفتن اغتشاشات اطراف) دست یافته اند.

این پیشرفت با تعبیه یک کروموفور، مولکول رنگی که نور را جذب و گسیل می کند، در یک چارچوب فلزی-آلی یا MOF، یک ماده کریستالی نانومتخلخل متشکل از یون های فلزی و لیگاندهای آلی امکان پذیر شد. در حالیکه محاسبات کوانتومی به عنوان پیشرفت بزرگ بعدی فناوری محاسبات در نظر گرفته می شود، حسگری کوانتومی یک فناوری حسگری است که از خواص مکانیکی و کوانتومی کیوبیت ها (آنالوگ های کوانتومی بیت ها در محاسبات کلاسیک که می توانند در برهم نهی 0 و 1 وجود داشته باشند) استفاده می کند.

سیستم‌های مختلفی را می‌توان برای پیاده‌سازی کیوبیت‌ها به کار برد که یکی از آنها استفاده از اسپین ذاتی - یک خاصیت کوانتومی مربوط به گشتاور مغناطیسی یک ذره - یک الکترون است. الکترون ها دو حالت اسپین دارند: چرخش به سمت بالا و اسپین پایین. کیوبیت‌های مبتنی بر اسپین می‌توانند در ترکیبی از این حالت‌ها وجود داشته باشند و می‌توانند «درهمتنیده» شوند، که اجازه می‌دهند وضعیت یک کیوبیت از دیگری تاثیر پذیرد. انتظار می رود با استفاده از ماهیت بسیار حساس حالت درهم تنیده کوانتومی به نویز محیطی، فناوری حسگری کوانتومی، حسگری را با وضوح و حساسیت بالاتر در مقایسه با تکنیک های سنتی امکان پذیر کند. با این حال، تاکنون، درهم‌تنیدگی چهار الکترون و پاسخ دادن آنها به مولکول‌های خارجی، یعنی دستیابی به حسگری کوانتومی با استفاده از یک MOF نانومتخلخل، چالش برانگیز بوده است.

شایان ذکر است، کروموفورها می توانند برای تحریک الکترون ها با اسپین های الکترونی مطلوب در دمای اتاق از طریق فرآیندی به نام شکافت منفرد استفاده شوند. با این حال، در دمای اتاق باعث می شود اطلاعات کوانتومی ذخیره شده در کیوبیت ها برهم نهی و درهم تنیدگی کوانتومی را از دست بدهند. در نتیجه، معمولاً دستیابی به همدوسی کوانتومی تنها در دمای سطح نیتروژن مایع امکان پذیر است. برای سرکوب حرکت مولکولی و دستیابی به همدوسی کوانتومی در دمای اتاق، محققان یک کروموفور مبتنی بر پنتاسن (هیدروکربن آروماتیک چند حلقه‌ای متشکل از پنج حلقه بنزن به صورت خطی ذوب شده) را در یک MOF از نوع UiO معرفی کردند. MOF در این کار یک سیستم منحصر به فرد است که می تواند کروموفورها را به صورت متراکم جمع کند. علاوه بر این، نانوحفره‌های درون کریستال کروموفور را قادر می‌سازد تا بچرخد، اما در یک زاویه بسیار محدود.

“Room-temperature quantum coherence of entangled multiexcitons in a metal-organic framework” by Akio Yamauchi, Kentaro Tanaka, Masaaki Fuki, Saiya Fujiwara, Nobuo Kimizuka, Tomohiro Ryu, Masaki Saigo, Ken Onda, Ryota Kusumoto, Nami Ueno, Harumi Sato, Yasuhiro Kobori, Kiyoshi Miyata and Nobuhiro Yanai, 3 January 2024, Science Advances.