A Luminescent Organic Triradical as an Optically Addressable Qudit

En la búsqueda de la construcción de máquinas que puedan resolver problemas que van mucho más allá del alcance de las computadoras actuales, los científicos se están volviendo hacia las unidades de información más pequeñas posibles. Durante décadas, el enfoque se ha centrado en el qubit, un diminuto interruptor que puede existir en dos estados a la vez, de forma muy parecida a una moneda girando sobre una mesa que es tanto cara como cruz hasta que aterriza. Sin embargo, la naturaleza ofrece una paleta más rica que solo dos opciones. Así como una escala musical tiene más de dos notas, los sistemas cuánticos pueden diseñarse para albergar múltiples estados simultáneamente. Estas unidades de múltiples estados, conocidas como qudits, podrían abrir nuevas formas de procesar información y percibir el mundo con una precisión extrema. El desafío radica en encontrar materiales que puedan mantener estos estados complejos de forma estable y que también permitan a los científicos leer y escribir información utilizando la luz, un método que es rápido y preciso.

Un equipo de investigadores ha creado ahora un nuevo bloque de construcción molecular que acerca este concepto a la realidad. Diseñaron una única molécula orgánica estable que actúa como un qudit emisor de luz. Esta molécula está construida a partir de tres grupos radicales idénticos —estructuras químicas con un electrón desapareado— dispuestos alrededor de un anillo central. Al conectar estas tres partes de una manera específica, los científicos obligaron a los electrones desapareados a alinear sus espines de manera cooperativa, creando un estado fundamental con cuatro niveles de energía distintos en lugar de los dos habituales. Esta estructura no es solo una curiosidad teórica; brilla con luz cuando es excitada, y el color y el tiempo de ese brillo revelan el estado interno de los electrones. Los investigadores demostraron que podían usar un láser para preparar la molécula en un estado específico, controlarla con microondas y leer el resultado a través de su emisión de luz, siendo la inicialización y lectura óptica posibles a temperatura ambiente.

La molécula, que los investigadores llaman trirradical, está construida mediante la unión de tres grupos trityl a un anillo de fenilo central. Los grupos trityl son conocidos por ser estables y tener propiedades magnéticas únicas, pero combinar tres de ellos en una sola unidad luminosa requirió un diseño cuidadoso. El equipo utilizó un proceso químico para vincular las tres partes, asegurando que estuvieran espaciadas de forma justa para interactuar sin destruir la estabilidad de las otras. Cuando examinaron la molécula, descubrieron que poseía dos conjuntos distintos de estados de energía: un estado doblete con dos configuraciones posibles y un estado cuarteto con cuatro. Crucialmente, el cuarteto del estado fundamental se sitúa ligeramente por debajo del doblete en energía por aproximadamente 1 meV, lo que resulta en una población casi igual de dobletes y cuartetos a temperatura ambiente. Esta mezcla casi igual es vital porque permite al sistema acceder a un rango más amplio de estados de información de lo que un simple sistema de dos estados podría ofrecer jamás.

Cuando los investigadores proyectaron un láser azul sobre la molécula, esta absorbió la energía y comenzó a brillar. Observaron dos colores distintos de luz emergiendo de la muestra: un brillo a 633 nanómetros y un rojo más profundo a 690 nanómetros. Al medir cuánto duraba cada color, descubrieron que la luz de 633 nanómetros provenía del estado cuarteto y se desvanecía rápidamente, mientras que la luz de 690 nanómetros provenía del estado doblete y persistía más tiempo, dominando la fotoluminiscencia retardada. Esta separación permitió distinguir entre los dos tipos de estados simplemente observando el color y el tiempo de la luz. El equipo también encontró que la molécula podía ser manipulada por campos magnéticos. Cuando aplicaron un campo magnético débil de solo 5 militesla, el brillo de la luz cambió hasta en un 3 por ciento. Esta sensibilidad sugiere que la molécula podría actuar como un sensor altamente efectivo para detectar fluctuaciones magnéticas diminutas en su entorno.

Para demostrar que la molécula podía funcionar como un dispositivo cuántico, los científicos realizaron una serie de pruebas para ver si podían controlar los espines de los electrones. Utilizaron un destello láser para preparar la molécula en una configuración de espín específica, un proceso conocido como inicialización óptica. Inmediatamente después del destello, utilizaron pulsos de microondas para sondear el estado de la molécula. Descubrieron que los espines podían controlarse de forma coherente, lo que significa que los investigadores podían dirigir el estado cuántico con precisión. La molécula retuvo esta información durante un tiempo sorprendentemente largo, con el tiempo de relajación espín-red alcanzando más de 150 microsegundos, estableciendo un límite superior sobre cuánto tiempo podía persistir el estado. Aunque los experimentos de control coherente se realizaron a bajas temperaturas para extender estos tiempos, los resultados indican que el material es un candidato viable para almacenar información. Además, demostraron que podían abordar las diferentes partes del estado cuarteto por separado, una capacidad que es esencial para utilizar la molécula como un procesador de múltiples estados en lugar de un simple interruptor de encendido y apagado.

Los investigadores también exploraron cómo se comporta la molécula bajo diferentes condiciones, como temperaturas y campos magnéticos variables. Encontraron que la brecha de energía entre los estados doblete y cuarteto era increíblemente pequeña, de solo aproximadamente 1 milielectronvoltio. Esta diferencia minúscula significa que la energía térmica a temperatura ambiente es suficiente para mantener la molécula moviéndose entre estos estados, lo cual es inusual para los sistemas cuánticos que a menudo requieren temperaturas de congelación para permanecer estables. El equipo confirmó que el comportamiento de la molécula coincidía con sus modelos teóricos, descartando la posibilidad de que impurezas o reacciones químicas incompletas estuvieran causando los efectos observados. También demostraron que la molécula podía utilizarse para la resonancia magnética detectada ópticamente, una técnica donde se usan microondas para cambiar el estado magnético de la molécula, lo cual es detectado posteriormente por un cambio en la luz que emite. Este método funcionó eficazmente a temperatura ambiente, una ventaja significativa sobre muchos otros materiales cuánticos que deben mantenerse cerca del cero absoluto.

Este trabajo representa un paso significativo hacia el desarrollo de materiales cuánticos orgánicos. Al crear una molécula que combina estabilidad, emisión de luz y control de múltiples estados, los investigadores han proporcionado una nueva herramienta para la detección y la computación cuántica. La capacidad de leer y escribir información utilizando la luz, combinada con la robustez de la molécula a temperatura ambiente, abre posibilidades para integrar la tecnología cuántica en los dispositivos cotidianos. Si bien la molécula es actualmente un prototipo de laboratorio, sus principios de diseño ofrecen un camino claro para mejoras futuras. Los investigadores sugieren que, al ajustar la simetría de la molécula, podrían separar aún más los niveles de energía, facilitando incluso más el control de los estados individuales. Esta molécula no es solo un nuevo compuesto químico; es una demostración de que el comportamiento cuántico complejo puede ser diseñado en estructuras orgánicas simples, acercando el sueño de los dispositivos cuánticos a escala molecular a la realidad.