Molecular spin qubits in a van der Waals bottle

क्वांटम कंप्यूटर बनाने की खोज अक्सर एक सरल, निराशाजनक समस्या से शुरू होती है: क्वांटम बिट्स, या क्यूबिट्स (qubits), जो सूचना धारण करते हैं, अविश्वसनीय रूप से नाजुक होते हैं। क्वांटम दुनिया में, एक कण अवस्थाओं के सुपरपोजिशन (superposition) में मौजूद हो सकता है, जो एक साथ कई संभावनाओं को धारण करता है, लेकिन परिवेश से जरा सा भी स्पर्श—एक भटकता हुआ कंपन, एक पास का चुंबकीय क्षेत्र, या किसी सतह से टकराना—इसे एक एकल, साधारण अवस्था में ढहने (collapse) के लिए मजबूर कर सकता है। सूचना के इस नुकसान को डिकोहेरेंस (decoherence) कहा जाता है, और यह प्राथमिक बाधा है जो वैज्ञानिकों को विश्वसनीय क्वांटम मशीनें बनाने से रोकती है। जबकि शोधकर्ताओं ने ट्रैप्ड परमाणुओं या सुपरकंडक्टिंग सर्किटों से क्यूबिट्स बनाए हैं, व्यक्तिगत अणुओं को क्यूबिट के रूप में उपयोग करने में बढ़ती रुचि है। ये आणविक स्पिन क्यूबिट्स सूक्ष्म, रासायनिक रूप से ट्यून करने योग्य हैं, और इन्हें परमाणु सटीकता के साथ इंजीनियर किया जा सकता है। हालांकि, उन्हें एक ठोस उपकरण में रखने से आमतौर पर उनकी नाजुक क्वांटम अवस्था नष्ट हो जाती है क्योंकि आसपास की सामग्री बहुत अधिक शोर (noise) पैदा करती है। चुनौती इन नाजुक अणुओं को एक ठोस संरचना के भीतर रखने का तरीका खोजने की रही है, बिना उस संरचना को उनकी क्वांटम प्रकृति को कुचलने दिए।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने दो-आयामी (two-dimensional) सामग्रियों की अनूठी वास्तुकला की ओर देखकर एक समाधान खोज लिया है। उन्होंने पाया कि कुछ क्रिस्टल की परतों के बीच सूक्ष्म अंतरालों में आणविक क्यूबिट्स को फंसाकर, वे अणुओं को परिवेश से बचा सकते हैं और उनके सुसंगत (coherent) रहने के समय को नाटकीय रूप से बढ़ा सकते हैं। टीम ने कोबाल्टोसीन (cobaltocene) नामक अणु का उपयोग किया, जिसमें एक चुंबकीय स्पिन वाला एक एकल कोबाल्ट परमाणु है, जिसे अपने परीक्षण विषय के रूप में इस्तेमाल किया गया। उन्होंने इन अणुओं को टिन डाइसल्फाइड और कैडमियम थियोफॉस्फेट जैसे दो अलग-अलग क्रिस्टल सामग्रियों के अंतराल में डाला, जो मजबूत रासायनिक बंधों के बजाय कमजोर बलों द्वारा जुड़े हुए हैं। इस विधि को वैन डेर वाल्स कन्फाइनमेंट (van der Waals confinement) के रूप में जाना जाता है, जिसने अणुओं को विनाशकारी रासायनिक संबंधों को बनाए बिना क्रिस्टल परतों के भीतर फिसलने की अनुमति दी। अंदर जाने के बाद, अणुओं को एक विशिष्ट, व्यवस्थित व्यवस्था में मजबूर किया गया, जिससे प्रभावी रूप से एक "बोतल" बन गई जिसने उन्हें उन अराजक कंपनों और अंतःक्रियाओं से बचाया जो आमतौर पर क्वांटम सूचना को गायब कर देते हैं।

इस बंधन (confinement) के परिणाम चौंकाने वाले थे। जब कोबाल्टोसीन अणुओं को बिना बंधे छोड़ा गया था, तो उनकी क्वांटम अवस्था केवल कुछ माइक्रोसेकंड तक ही बनी रही और फिर फीकी पड़ गई। लेकिन जब उन्हें क्रिस्टल के अंतराल के भीतर रखा गया, तो उनका जीवनकाल दो सौ गुना से अधिक बढ़ गया। सबसे सफल मामलों में, अणुओं ने एक मिलीसेकंड से अधिक समय तक अपनी क्वांटम अवस्था बनाए रखी, जो एक विशाल सुधार है जो उन्हें व्यावहारिक कंप्यूटिंग के लिए आवश्यक समय-सीमा के करीब लाता है। शोधकर्ताओं ने निर्धारित किया कि यह सुरक्षा इस बात से आई कि कैसे क्रिस्टल की परतों ने अणु के आंतरिक ऊर्जा परिदृश्य (energy landscape) को बदल दिया। अंतराल की तंग जगह ने अणु के कंपन करने के तरीके और उसके इलेक्ट्रॉनों के घूमने के तरीके को बदल दिया, जिससे प्रभावी रूप से उन विशिष्ट मार्गों को शांत कर दिया गया जो आमतौर पर स्पिन से ऊर्जा को निकालते हैं। यह ऐसा था मानो क्रिस्टल की परतें एक ध्वनि-रोधी कमरे (soundproof room) के रूप में कार्य कर रही थीं, जो उस शोर को रोक रही थीं जो आमतौर पर क्वांटम सिग्नल को बाधित करता है।

क्यूबिट के जीवनकाल को बढ़ाने के अलावा, बंधन (confinement) ने अणुओं को एक सटीक, अनुमानित तरीके से संरेखित होने के लिए भी मजबूर किया। इलेक्ट्रॉन पैरामैग्नेटिक रेजोनेंस (electron paramagnetic resonance) नामक एक तकनीक का उपयोग करते हुए, जो रेडियो तरंगों के प्रति चुंबकीय स्पिन की प्रतिक्रिया को मापता है, टीम ने देखा कि अणु बेतरतीब ढंग से लुढ़कने के बजाय एक समान अभिविन्यास (orientation) में सीधे खड़े थे। यह व्यवस्थित व्यवस्था एक कार्यात्मक क्वांटम उपकरण बनाने के लिए महत्वपूर्ण है, क्योंकि यह वैज्ञानिकों को उच्च सटीकता के साथ व्यक्तिगत क्यूबिट्स को संबोधित करने और नियंत्रित करने की अनुमति देती है। अध्ययन ने यह भी खुलासा किया कि अणुओं ने क्रिस्टल की परतों के भीतर एक दोहराते हुए, ग्रिड-जैसे पैटर्न का निर्माण किया, जिससे एक सुपरलैटिस (superlattice) बना जहाँ प्रत्येक क्यूबिट एक समान वातावरण में स्थित है। यह स्व-संयोजन (self-assembly) बताता है कि इस पद्धति को केवल पृथक उदाहरणों के बजाय क्यूबिट के बड़े, संगठित नेटवर्क बनाने के लिए बढ़ाया जा सकता है।

शोधकर्ताओं ने इस बात पर भी बारीकी से गौर किया कि क्रिस्टल के भीतर अणु इतने अलग व्यवहार क्यों कर रहे थे। उन्होंने पाया कि बंधन (confinement) ने अणु के आंतरिक चुंबकीय बलों और आसपास के परमाणुओं के साथ उसकी अंतःक्रिया के बीच के संतुलन को बदल दिया। अनकन्फाइंड (unconfined) अवस्था में, अणु के इलेक्ट्रॉन एक मिश्रित, अस्थिर अवस्था में थे जिससे ऊर्जा का रिसाव आसान हो गया था। क्रिस्टल के भीतर, तंग स्थान ने इलेक्ट्रॉनों को एक अधिक स्थिर, शुद्ध अवस्था में धकेल दिया, जिससे पर्यावरण के लिए उन्हें बाधित करना बहुत कठिन हो गया। इलेक्ट्रॉनिक संरचना में यह परिवर्तन प्रदर्शन में नाटकीय सुधार की कुंजी था। टीम ने पुष्टि की कि अणु रासायनिक रूप से बरकरार रहे और होस्ट क्रिस्टल ने क्यूबिट के चुंबकीय गुणों में हस्तक्षेप नहीं किया, सिवाय इसके कि उन्होंने आवश्यक सुरक्षा प्रदान की।

यह कार्य प्रदर्शित करता है कि एक अणु और एक ठोस सामग्री के बीच का इंटरफेस विनाश का स्रोत नहीं होना चाहिए। सावधानीपूर्वक उस स्थान को डिजाइन करके जिसमें एक अणु निवास करता है, वैज्ञानिक एक संभावित विनाशकारी वातावरण को एक सुरक्षात्मक वातावरण में बदल सकते हैं। अध्ययन का सुझाव है कि इस दृष्टिकोण को अन्य प्रकार के आणविक क्यूबिट्स पर लागू किया जा सकता है, जो नाजुक क्वांटम प्रणालियों को मजबूत, ठोस-अवस्था (solid-state) उपकरणों में एकीकृत करने के लिए एक सामान्य रणनीति प्रदान करता है। एक द्वि-आयामी सामग्री के भीतर एक नियतात्मक (deterministic), व्यवस्थित सरणी में क्यूबिट को रखने की क्षमता जटिल क्वांटम सर्किट बनाने का मार्ग प्रशस्त करती है जो आणविक रसायन विज्ञान की बहुमुखी प्रतिभा को ठोस-अवस्था इंजीनियरिंग की स्थिरता के साथ जोड़ती है। हालांकि यह तकनीक अभी अपने शुरुआती चरणों में है, यह प्रमाण कि स्थानिक बंधन (spatial confinement) के माध्यम से क्वांटम सुसंगतता (quantum coherence) को इंजीनियर किया जा सकता है, भविष्य की क्वांटम प्रौद्योगिकियों के विकास में एक महत्वपूर्ण कदम है।