實驗示意圖。圖片來源：柳井伸弘

日本九州大學(xué)和神戶大學(xué)科學(xué)家報告稱，通過將發(fā)色團(tuán)（一種吸收光并發(fā)出顏色的染料分子）嵌入金屬有機(jī)框架，他們在室溫下實現(xiàn)了量子相干。這是量子系統(tǒng)在不受周圍噪聲影響的情況下，保持量子狀態(tài)的能力。最新研究標(biāo)志著量子計算和量子傳感技術(shù)領(lǐng)域的重大進(jìn)步。相關(guān)論文發(fā)表于《科學(xué)進(jìn)展》雜志。

量子計算和量子傳感都是利用量子比特的技術(shù)。目前，科學(xué)家探索了多種系統(tǒng)來實現(xiàn)量子比特，其中包括電子自旋。電子有向上和向下兩種自旋狀態(tài)。基于自旋的量子比特可以這些狀態(tài)的組合存在（量子疊加），且能彼此“糾纏”（即一個量子比特狀態(tài)的變化會影響另一個量子比特的狀態(tài)）。

量子傳感技術(shù)利用量子糾纏態(tài)對環(huán)境噪聲極其敏感的特性，有望實現(xiàn)更高分辨率和靈敏度。但讓4個電子發(fā)生量子糾纏并使它們對外部分子作出反應(yīng)，一直面臨極大挑戰(zhàn)。

此前，科學(xué)家通過單線態(tài)裂變過程，在室溫下用發(fā)色團(tuán)激發(fā)電子來獲得電子自旋。但在室溫下，量子信息會失去量子疊加和糾纏狀態(tài)。因此，量子相干通常只在液氮溫度（-196℃）下才能實現(xiàn)。

為抑制分子運(yùn)動并實現(xiàn)室溫量子相干，研究團(tuán)隊在有機(jī)金屬框架中引入基于并五苯的發(fā)色團(tuán)。結(jié)果顯示，有機(jī)金屬框架促進(jìn)了并五苯的運(yùn)動，使電子從三重態(tài)能級躍遷為五重態(tài)能級，充分保持了五重多激子態(tài)的量子相干性。通過微波脈沖光激發(fā)電子，他們觀察到，該狀態(tài)的量子相干在室溫下持續(xù)超過100納秒。這是糾纏五重態(tài)在室溫下首次實現(xiàn)量子相干。

研究人員表示，雖然持續(xù)時間很短，但最新發(fā)現(xiàn)為設(shè)計在室溫下產(chǎn)生多個量子比特的材料鋪平了道路，也為基于多種目標(biāo)化合物的多量子門控制和量子傳感打開了大門。