Cubits moleculares: memoria duradera a temperatura ambiente exprés
En el corazón de una futura computadora cuántica podría encontrarse una diminuta molécula orgánica con forma de triángulo. Tiene dos electrones 'extra' que no encuentran pareja. Estas moléculas se llaman diradicales, y sus electrones pueden almacenar información de una manera especial, cuántica.
Los autores del trabajo, mediante cálculos precisos desde primeros principios, estudiaron tres variantes: trianguleno puro, su derivado con un átomo de nitrógeno y un cristal de forma más compleja. Resultó que si se eliminan todos los núcleos magnéticos alrededor (sustituyendo hidrógeno por deuterio y colocando la molécula en un entorno sin núcleos), el tiempo de coherencia cuántica de la molécula alcanza 0,21 milisegundos a una temperatura de 10 K. Es como si una frágil burbuja de jabón permaneciera en el aire casi un cuarto de segundo: para el mundo cuántico, es muchísimo tiempo.
Pero la gran sorpresa llegó a temperatura ambiente. El tiempo de relajación (T1), es decir, la vida del estado de espín excitado, para la molécula con nitrógeno fue de 27 milisegundos. La información no se pierde casi instantáneamente, como suele ocurrir, sino que vive lo suficiente como para poder trabajar con ella. Además, los científicos demostraron que el espín puede controlarse con luz: se puede transferir electrones entre estados de manera selectiva, lo que permite leer y escribir datos.
Resumen original
tal como lo escribieron los autores, en inglés arXiv:2607.08634
The identification of molecules that combine long spin coherence times and efficient spin-optical interfaces, ideally at room temperature, is pivotal towards the development of molecular quantum technology. By means of advanced first-principles methods, we here unravel the electronic structure for triangulene (1), its aza-cation derivative (2), and the crystal of 2,6,10-tri-tert-butyl-4,8,12-trimesityl-triangulene (3), and show that these organic diradicals possess a triplet ground state well separated from the first singlet excited state approaching 0.5 eV, closely resembling solid-state defects like nitrogen vacancy centers. In addition, we compute spin decoherence times due to the interaction with phonons and surrounding nuclear spins, showing that a deuterated molecule of 3 in a nuclear spin-free environment would support $$T_2 = 0.21$$ ms at 10 K. Importantly, we show that the engineering of specific low-energy vibrations could significantly improve $$T_2$$ toward the limit imposed by the molecular core spin relaxation, here estimated to be as long as $$T_1=27$$ ms at 300 K for 2. Finally, we compute two-phonon contributions to inter-system crossing at 300 K for2 as a luminescent prototype, and find that it is highly spin-selective, supporting the possibility to engineer optical read out and spin initialization. These results advance a unified first-principles theoretical foundation of spin decoherence and spin-selective excited-state processes and point to novel chemical design strategies for optically addressable, highly coherent molecular qubits.
El tiempo de 0,21 ms a 10 K es aproximadamente lo que dura un relámpago. Para un cubit molecular es un período enorme, durante el cual se pueden realizar cientos de operaciones cuánticas.
La idea de las computadoras cuánticas moleculares resuena con los 'puntos cuánticos' de la novela 'Cuarentena' de Greg Egan, donde la información se procesa a nivel de partículas individuales.