Molecular spin qubits in a van der Waals bottle

La ricerca per costruire un computer quantistico inizia spesso con un problema semplice e frustrante: i bit quantistici, o qubit, che contengono informazioni sono incredibilmente fragili. Nel mondo quantistico, una particella può esistere in una sovrapposizione di stati, mantenendo molteplici possibilità contemporaneamente, ma il minimo tocco dal suo ambiente — una vibrazione errante, un campo magnetico vicino o un urto contro una superficie — può causare il suo collasso in un singolo stato ordinario. Questa perdita di informazione è chiamata decoerenza, ed è l'ostacolo primario che impedisce agli scienziati di creare macchine quantistiche affidabili. Sebbene i ricercatori abbiano costruito qubit da atomi intrappolati o circuiti superconduttori, c'è un crescente interesse nell'usare singole molecole come qubit. Questi qubit molecolari di spin sono minuscoli, chimicamente regolabili e possono essere progettati con precisione atomica. Tuttavia, inserire queste molecole in un dispositivo solido di solito distrugge il loro delicato stato quantistico perché il materiale circostante crea troppo rumore. La sfida è stata trovare un modo per ospitare queste fragili molecole in una struttura solida senza lasciare che la struttura schiacci la loro natura quantistica.

Un team di ricercatori ha ora trovato una soluzione guardando all'architettura unica dei materiali bidimensionali. Hanno scoperto che intrappolando i qubit molecolari all'interno dei microgap tra gli strati di determinati cristalli, potevano schermare le molecole dall'ambiente e prolungare drasticamente il tempo in cui rimangono coerenti. Il team ha utilizzato una molecola chiamata cobaltocene, che contiene un singolo atomo di cobalto con uno spin magnetico, come soggetto di prova. Hanno inserito queste molecole nei gap di due diversi materiali cristallini, il disolfuro di stagno e il tiofosfato di cadmio, che sono tenuti insieme da forze deboli piuttosto che da forti legami chimici. Questo metodo, noto come confinamento di van der Waals, ha permesso alle molecole di scivolare all'interno degli strati cristallini senza formare legami chimici distruttivi. Una volta all'interno, le molecole sono state costrette in una disposizione specifica e ordinata, creando efficacemente una "bottiglia" che le proteggeva dalle vibrazioni caotiche e dalle interazioni che solitamente causano la scomparsa dell'informazione quantistica.

I risultati di questo confinamento sono stati sorprendenti. Quando le molecole di cobaltocene venivano lasciate non confinate, il loro stato quantistico durava solo pochi microsecondi prima di svanire. Ma quando collocate all'interno dei gap cristallini, la loro durata di vita è aumentata di oltre duecento volte. Nei casi di maggior successo, le molecole hanno mantenuto il loro stato quantistico per oltre un millisecondo, un miglioramento massiccio che le avvicina alle scale temporali necessarie per l'informatica pratica. I ricercatori hanno determinato che questa protezione derivava dal modo in cui gli strati cristallini alteravano il panorama energetico interno della molecola. Lo spazio ristretto del gap ha cambiato il modo in cui la molecola vibrava e come i suoi elettroni si muovevano, silenziando efficacemente le specifiche vie che solitamente drenano l'energia dallo spin. Era come se gli strati cristallini agissero come una stanza insonorizzata, bloccando il rumore che tipicamente disturba il segnale quantistico.

Oltre a estendere semplicemente la durata di vita del qubit, il confinamento ha anche costretto le molecole ad allinearsi in un modo preciso e prevedibile. Utilizzando una tecnica chiamata risonanza paramagnetica elettronica, che misura come gli spin magnetici rispondono alle onde radio, il team ha osservato che le molecole stavano erette in un'orientazione uniforme, invece di roteare casualmente. Questa disposizione ordinata è fondamentale per costruire un dispositivo quantistico funzionale, poiché consente agli scienziati di indirizzare e controllare i singoli qubit con alta precisione. Lo studio ha anche rivelato che le molecole formavano un modello ripetitivo, a griglia, all'interno degli strati cristallini, creando un superreticolo dove ogni qubit si trova in un ambiente identico. Questa auto-assemblaggio suggerisce che il metodo potrebbe essere scalato per creare ampie reti organizzate di qubit, piuttosto che solo esempi isolati.

I ricercatori hanno anche esaminato attentamente perché le molecole si comportassero in modo così diverso all'interno del cristallo. Hanno scoperto che il confinamento cambiava l'equilibrio tra le forze magnetiche interne della molecola e la sua interazione con gli atomi circostanti. Nello stato non confinato, gli elettroni della molecola erano in uno stato misto e instabile che rendeva facile la fuoriuscita di energia. All'interno del cristallo, lo spazio ristretto ha costretto gli elettroni in uno stato più stabile e puro, rendendo molto più difficile per l'ambiente disturbarli. Questo cambiamento nella struttura elettronica è stato la chiave del drammatico miglioramento delle prestazioni. Il team ha confermato che le molecole rimanevano chimicamente intatte e che i cristalli ospiti non interferivano con le proprietà magnetiche dei qubit, se non fornendo la necessaria protezione.

Questo lavoro dimostra che l'interfaccia tra una molecola e un materiale solido non deve necessariamente essere una fonte di distruzione. Progettando attentamente lo spazio in cui risiede una molecola, gli scienziati possono trasformare un ambiente potenzialmente distruttivo in uno protettivo. Lo studio suggerisce che questo approccio potrebbe essere applicato ad altri tipi di qubit molecolari, offrendo una strategia generale per integrare sistemi quantistici fragili in robusti dispositivi a stato solido. La capacità di posizionare i qubit in un array deterministico e ordinato all'interno di un materiale bidimensionale apre la porta alla costruzione di complessi circuiti quantistici che combinano la versatilità della chimica molecolare con la stabilità dell'ingegneria dello stato solido. Sebbene la tecnologia sia ancora nelle sue fasi iniziali, la prova che la coerenza quantistica può essere ingegnerizzata attraverso il confinamento spaziale segna un passo significativo avanti nello sviluppo delle future tecnologie quantistiche.