Cubits moléculaires : une mémoire longue à température ambiante express
Au cœur de l'ordinateur quantique du futur pourrait se trouver une minuscule molécule organique en forme de triangle. Elle possède deux électrons « en trop » qui ne trouvent pas de partenaire. Ces molécules sont appelées diradicaux, et leurs électrons sont capables de stocker l'information d'une manière particulière, quantique.
Les auteurs de l'étude, grâce à des calculs précis ab initio, ont examiné trois variantes : le triangulène pur, son dérivé avec un atome d'azote, et un cristal de forme plus complexe. Il s'avère que si l'on élimine tous les noyaux magnétiques environnants (en remplaçant l'hydrogène par du deutérium et en plaçant la molécule dans un environnement sans noyaux), le temps de cohérence quantique de la molécule atteint 0,21 milliseconde à une température de 10 K. C'est comme si une fragile bulle de savon restait en l'air près d'un quart de seconde – pour le monde quantique, c'est très long.
Mais la grande surprise nous attendait à température ambiante. Le temps de relaxation (T1), c'est-à-dire la durée de vie de l'état de spin excité, pour la molécule avec l'azote, était de 27 millisecondes. L'information ne se perd pas presque instantanément, comme c'est souvent le cas, mais vit assez longtemps pour qu'on puisse travailler avec. De plus, les scientifiques ont montré que le spin peut être contrôlé par la lumière – en faisant passer sélectivement les électrons entre les états, ce qui permet de lire et d'écrire des données.
Résumé original
tel que rédigé par les auteurs, en anglais 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.
Le temps de 0,21 ms à 10 K est à peu près la durée d'un éclair. Pour un cubit moléculaire, c'est une énorme durée, pendant laquelle on peut effectuer des centaines d'opérations quantiques.
L'idée d'ordinateurs quantiques moléculaires fait écho aux « points quantiques » du roman « Quarantine » de Greg Egan, où l'information est traitée au niveau des particules individuelles.