Molecular spin qubits in a van der Waals bottle

De zoektocht naar het bouwen van een kwantumcomputer begint vaak met een eenvoudig, frustrerend probleem: de kwantumbits, of qubits, die informatie vasthouden, zijn ongelooflijk fragiel. In de kwantumwereld kan een deeltje zich in een superpositie van toestanden bevinden, waarbij het meerdere mogelijkheden tegelijk vasthoudt, maar de kleinste aanraking van de omgeving — een rondvliegende trilling, een nabijgelegen magnetisch veld of een botsing tegen een oppervlak — kan ervoor zorgen dat het instort tot een enkele, gewone toestand. Dit verlies van informatie wordt decoherentie genoemd, en het is het primaire obstakel dat wetenschappers verhindert betrouwbare kwantummachines te creëren. Hoewel onderzoekers qubits hebben gebouwd van gevangen atomen of supergeleidende circuits, is er een groeiende belangstelling voor het gebruik van individuele moleculen als qubits. Deze moleculaire spin-qubits zijn minuscuul, chemisch aanpasbaar en kunnen met atomaire precisie worden ontworpen. Het plaatsen van deze moleculen in een solide apparaat vernietigt echter meestal hun delicate kwantumtoestand, omdat het omringende materiaal te veel ruis veroorzaakt. De uitdaging is geweest om een manier te vinden om deze fragiele moleculen in een vaste structuur te huisvesten zonder dat de structuur hun kwantumwezen verplettert.

Een team van onderzoekers heeft nu een oplossing gevonden door te kijken naar de unieke architectuur van tweedimensionale materialen. Ze ontdekten dat door moleculaire qubits te vangen in de microscopische openingen tussen de lagen van bepaalde kristallen, ze de moleculen konden afschermen van de omgeving en de tijd dat ze coherent blijven drastisch konden verlengen. Het team gebruikte een molecuul genaamd cobaltoceen, dat een enkel kobaltatoom met een magnetische spin bevat, als hun proefpersoon. Ze plaatsten deze moleculen in de openingen van twee verschillende kristalmaterialen, tin disulfide en cadmium thiophosphate, die door zwakke krachten bij elkaar worden gehouden in plaats van door sterke chemische bindingen. Deze methode, bekend als van der Waals-confinement, stelde de moleculen in staat om in de kristallagen te glippen zonder destructieve chemische verbindingen te vormen. Eenmaal binnen werden de moleculen gedwongen in een specifieke, ordelijke rangschikking, wat effectief een "fles" creëerde die hen beschermde tegen de chaotische trillingen en interacties die gewoonlijk de kwantuminformatie doen verdwijnen.

De resultaten van deze opsluiting waren opmerkelijk. Wanneer de cobaltoceen-moleculen niet geconfineerd waren, duurde hun kwantumtoestand slechts enkele microseconden voordat deze vervaagde. Maar wanneer ze in de kristalgaten werden geplaatst, nam hun levensduur met meer dan tweehonderd keer toe. In de meest succesvolle gevallen hielden de moleculen hun kwantumtoestand meer dan een milliseconde vast, een enorme verbetering die hen dichter bij de tijdschalen brengt die nodig zijn voor praktische berekeningen. De onderzoekers bepaalden dat deze bescherming voortkwam uit de manier waarop de kristallagen het interne energielandschap van het molecuul veranderden. De nauwe ruimte van de opening veranderde hoe het molecuul vibreerde en hoe de elektronen bewogen, waardoor de specifieke paden die normaal gesproken energie uit de spin wegzuigen, effectief werden verstomd. Het was alsof de kristallagen fungeerden als een geluidsdichte kamer, die de ruis blokkeerden die de kwantumsignalen gewoonlijk verstoort.

Naast het simpelweg verlengen van de levensduur van de qubit, dwong de opsluiting de moleculen ook om zich op een precieze, voorspelbare manier uit te lijnen. Met behulp van een techniek genaamd elektronparamagnetische resonantie, die meet hoe magnetische spins reageren op radiogolven, observeerde het team dat de moleculen rechtop stonden in een uniforme oriëntatie, in plaats van willekeurig te tollen. Deze ordelijke rangschikking is cruciaal voor het bouwen van een functioneel kwantumapparaat, omdat het wetenschappers in staat stelt om individuele qubits met hoge precisie aan te spreken en te besturen. De studie onthulde ook dat de moleculen een herhalend, roosterachtig patroon vormden binnen de kristallagen, waardoor een superrooster ontstond waarin elke qubit in een identieke omgeving zit. Deze zelfassemblage suggereert dat de methode kan worden opgeschaald om grote, georganiseerde netwerken van qubits te creëren, in plaats van slechts geïsoleerde voorbeelden.

De onderzoekers keken ook nauwgezet naar waarom de moleculen zich binnen het kristal zo anders gedroegen. Ze ontdekten dat de opsluiting de balans veranderde tussen de interne magnetische krachten van het molecuul en de interactie met de omringende atomen. In de ongeconfineerde toestand bevonden de elektronen van het molecuul zich in een gemengde, onstabiele toestand die het gemakkelijk maakte voor energie om weg te lekken. Binnen het kristal dwong de nauwe ruimte de elektronen in een stabielere, zuivere toestand, waardoor het veel moeilijker werd voor de omgeving om hen te verstoren. Deze verandering in de elektronische structuur was de sleutel tot de drastische verbetering in prestaties. Het team bevestigde dat de moleculen chemisch intact bleven en dat de gastkristallen de magnetische eigenschappen van de qubits niet verstoorden, behalve door de noodzakelijke bescherming te bieden.

Dit werk demonstreert dat de interface tussen een molecuul en een vast materiaal niet een bron van vernietiging hoeft te zijn. Door de ruimte waarin een molecuul verblijft zorgvuldig te ontwerpen, kunnen wetenschappers een potentieel destructieve omgeving veranderen in een beschermende omgeving. De studie suggereert dat deze aanpak kan worden toegepast op andere soorten moleculaire qubits, wat een algemene strategie biedt voor het integreren van fragiele kwantumsystemen in robuuste, solid-state apparaten. Het vermogen om qubits in een deterministische, geordende reeks binnen een tweedimensionaal materiaal te plaatsen, opent de deur naar het bouwen van complexe kwantumcircuits die de veelzijdigheid van moleculaire chemie combineren met de stabiliteit van solid-state engineering. Hoewel de technologie zich nog in een vroeg stadium bevindt, is het bewijs dat kwantumcoherentie kan worden ingenierd door ruimtelijke opsluiting een belangrijke stap voorwaarts in de ontwikkeling van toekomstige kwantumtechnologieën.