Un groupe de chercheurs rapporte avoir atteint la cohérence quantique à température ambiante, qui est la capacité d'un système quantique à maintenir un état bien défini au fil du temps sans être affecté par les perturbations environnantes.
Cette percée a été rendue possible en intégrant un chromophore, une molécule colorante qui absorbe la lumière et émet de la couleur, dans une structure métallo-organique, ou MOF, un matériau cristallin nanoporeux composé d'ions métalliques et de ligands organiques. La recherche est publiée dans la revue Science Advances .
L'équipe de recherche était dirigée par le professeur agrégé Nobuhiro Yanai de la faculté d'ingénierie de l'université de Kyushu, en collaboration avec le professeur agrégé Kiyoshi Miyata de l'université de Kyushu et le professeur Yasuhiro Kobori de l'université de Kobe.
Leurs découvertes marquent une avancée cruciale pour les technologies d’informatique et de détection quantiques. Alors que l'informatique quantique se positionne comme la prochaine avancée majeure de la technologie informatique, la détection quantique est une technologie de détection qui utilise les propriétés mécaniques quantiques des qubits (analogues quantiques des bits dans l'informatique classique qui peuvent exister dans une superposition de 0 et 1).
Divers systèmes peuvent être utilisés pour mettre en œuvre des qubits, une approche étant l'utilisation du spin intrinsèque (une propriété quantique liée au moment magnétique d'une particule) d'un électron. Les électrons ont deux états de spin :une rotation ascendante et une rotation descendante. Les qubits basés sur le spin peuvent exister dans une combinaison de ces états et peuvent être « intriqués », permettant de déduire l'état d'un qubit d'un autre.
En tirant parti de la nature extrêmement sensible d’un état quantique intriqué au bruit ambiant, la technologie de détection quantique devrait permettre une détection avec une résolution et une sensibilité plus élevées que les techniques traditionnelles. Cependant, jusqu'à présent, il a été difficile d'intricer quatre électrons et de les faire réagir à des molécules externes, c'est-à-dire de réaliser une détection quantique à l'aide d'un MOF nanoporeux.
Notamment, les chromophores peuvent être utilisés pour exciter des électrons dotés de spins électroniques souhaités à température ambiante grâce à un processus appelé fission singulet. Cependant, à température ambiante, les informations quantiques stockées dans les qubits perdent leur superposition et leur intrication quantiques. En conséquence, il n'est généralement possible d'atteindre la cohérence quantique qu'à des températures au niveau de l'azote liquide.
Pour supprimer le mouvement moléculaire et obtenir une cohérence quantique à température ambiante, les chercheurs ont introduit un chromophore à base de pentacène (hydrocarbure aromatique polycyclique constitué de cinq cycles benzéniques fusionnés linéairement) dans un MOF de type UiO. "Le MOF dans ce travail est un système unique capable d'accumuler de manière dense des chromophores. De plus, les nanopores à l'intérieur du cristal permettent au chromophore de tourner, mais selon un angle très restreint", explique Yanai.
La structure MOF a facilité suffisamment de mouvement dans les unités pentacènes pour permettre aux électrons de passer de l'état triplet à un état quintette, tout en supprimant suffisamment le mouvement à température ambiante pour maintenir la cohérence quantique de l'état multiexciton quintette. En photoexcitant des électrons avec des impulsions micro-ondes, les chercheurs ont pu observer la cohérence quantique de l’état pendant plus de 100 nanosecondes à température ambiante. "Il s'agit de la première cohérence quantique à température ambiante de quintettes intriqués", explique Kobori.
Bien que la cohérence n’ait été observée que pendant des nanosecondes, les résultats ouvriront la voie à la conception de matériaux permettant de générer plusieurs qubits à température ambiante. "Il sera possible de générer plus efficacement des qubits d'états multiexcitons en quintette à l'avenir en recherchant des molécules invitées capables d'induire davantage de mouvements supprimés de ce type et en développant des structures MOF appropriées", explique Yanai. "Cela peut ouvrir les portes à l'informatique quantique moléculaire à température ambiante, basée sur le contrôle de plusieurs portes quantiques et la détection quantique de divers composés cibles."
Plus d'informations : Akio Yamauchi et al, Cohérence quantique à température ambiante de multiexcitons intriqués dans un cadre métallo-organique, Science Advances (2024). DOI :10.1126/sciadv.adi3147
Informations sur le journal : Progrès scientifiques
Fourni par l'Université de Kyushu
