Молекулярные кубиты: долгая память при комнатной температуре экспресс
В сердце квантового компьютера будущего может оказаться крошечная органическая молекула, похожая на треугольник. У неё есть два «лишних» электрона, которые не находят себе пару. Такие молекулы называют дирадикалами, и их электроны способны хранить информацию особым, квантовым способом.
Авторы работы с помощью точных расчётов из первых принципов изучили три варианта: чистый триангулен, его производное с атомом азота и кристалл более сложной формы. Оказалось, что если убрать все магнитные ядра вокруг (заменив водород на дейтерий и поместив молекулу в безъядерное окружение), время квантовой когерентности молекулы достигает 0,21 миллисекунды при температуре 10 К. Это как если бы хрупкий мыльный пузырь продержался в воздухе почти четверть секунды — для квантового мира очень долго.
Но главный сюрприз ждал при комнатной температуре. Время релаксации (T1), то есть жизни возбуждённого спинового состояния, для молекулы с азотом составило 27 миллисекунд. Информация не теряется почти мгновенно, как часто бывает, а живёт достаточно долго, чтобы с ней можно было работать. Более того, учёные показали, что спином можно управлять с помощью света — избирательно переводить электроны между состояниями, а значит, считывать и записывать данные.
Оригинальная аннотация
как её написали авторы, на английском 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.
Время 0,21 мс при 10 К — это примерно столько же, сколько длится одна вспышка молнии. Для молекулярного кубита это огромный срок, за который можно успеть выполнить сотни квантовых операций.
Идея молекулярных квантовых компьютеров перекликается с «квантовыми точками» из романа Грега Игана «Карантин», где информация обрабатывается на уровне отдельных частиц.