A Luminescent Organic Triradical as an Optically Addressable Qudit

在构建能够解决远超当今计算机处理能力的难题的机器的过程中，科学家们正转向最小的信息单位。几十年来，研究重点一直集中在量子比特（qubit）上，这是一种可以同时存在于两种状态中的微小开关，就像桌面上旋转的硬币，在落地之前既是正面也是反面。然而，大自然提供的调色板比仅仅两种选择要丰富得多。正如音乐音阶不止有两个音符一样，量子系统可以被设计为同时持有多个状态。这些被称为量子比特（qudits）的多状态单元，可能会开启处理信息和以极高精度感知世界的新途径。挑战在于寻找既能稳定保持这些复杂状态，又能让科学家利用光（一种快速且精确的方法）来读取和写入信息的材料。

一组研究人员现在创造了一种新的分子构建模块，使这一概念更接近现实。他们设计了一种单一、稳定的有机分子，作为一种发光的量子比特（qudit）。该分子由三个相同的自由基基团（具有未成对电子的化学结构）围绕一个中心环组成。通过以特定的方式连接这三个部分，科学家们迫使未成对电子以协作的方式排列自旋，从而创造出一个具有四个不同能级而非通常两个能级的基态。这种结构不仅是一个理论上的奇趣；它在受到激发时会发出光芒，而那光芒的颜色和时机揭示了电子的内部状态。研究人员证明，他们可以使用激光将分子制备在特定状态，用微波对其进行控制，并通过其光发射来读取结果，其中光学初始化和读取在室温下是可行的。

这种被研究人员称为“三自由基”（triradical）的分子，是通过将三个三苯基基团连接到一个中心苯环上构建而成的。三苯基基团以其稳定性和独特的磁特性而闻名，但将三个这样的基团组合成单个发光单元需要精心的设计。团队使用一种化学过程来连接这三个部分，确保它们的间距恰到好处，既能产生相互作用，又不会破坏彼此的稳定性。当他们检查该分子时，发现它拥有两组截然不同的能量状态：一个具有两种可能配置的双重态（doublet state）和一个具有四种配置的四重态（quartet state）。至关重要的是，基态四重态的能量比双重态低约 1 meV，导致在室温下双重态和四重态呈现近乎相等的分布。这种近乎相等的混合对于系统而言至关重要，因为它允许系统访问比简单的两状态系统所能提供的更广泛的信息状态。

当研究人员用蓝色激光照射该分子时，它吸收了能量并开始发光。他们观察到样品中出现了两种截然不同的光色：一种是 633 纳米的光，另一种是 690 纳米的深红光。通过测量每种颜色的持续时间，他们发现 633 纳米的光来自四重态且消散得很快，而 690 纳米的光来自双重态且持续时间较长，在延迟荧光中占据主导地位。这种分离使得他们只需通过观察光的颜色和时机，就能区分出两种不同的状态。团队还发现，该分子可以通过磁场进行操纵。当他们施加仅 5 毫特斯拉的弱磁场时，光的亮度变化了高达 3%。这种敏感性表明，该分子可以作为一种高效的传感器，用于检测环境中微小的磁波动。

为了证明该分子可以作为量子器件运行，科学家们进行了一系列测试，以观察是否可以控制电子自旋。他们使用激光闪烁来将分子制备在特定的自旋构型中，这一过程被称为光学初始化。在闪烁之后，他们立即使用微波脉冲来探测分子的状态。他们发现，自旋可以被相干控制，这意味着研究人员可以精确地引导量子状态。该分子能将信息保持相当长的时间，其自旋-晶格弛豫时间达到 150 微秒以上，这设定了状态持续时间的上限。虽然相干控制实验是在低温下进行的，以延长这些时间，但结果表明该材料是存储信息的有效候选材料。此外，他们还证明了可以分别对四重态的不同部分进行寻址，这一能力对于将分子用作多状态处理器而非简单的“开-关”开关至关重要。

研究人员还探索了该分子在不同条件下的行为，例如变化的温度和磁场。他们发现，双重态和四重态之间的能量间隙极其微小，仅为约 1 毫电子伏特（meV）。这种微小的差异意味着，在室温下的热能足以让分子在这些状态之间运动，这对于通常需要极低温才能保持稳定的量子系统来说是很寻常的。团队确认，该分子的行为与他们的理论模型相符，排除了杂质或不完全化学反应导致观测效应的可能性。他们还展示了该分子可以用于光检测磁共振（ODMR），这是一种利用微波改变分子的磁状态，进而通过其发光的变化来检测的技术。这种方法在室温下工作非常有效，相比许多必须保持在接近绝对零度的其他量子材料，这是一个显著的优势。

这项工作代表了有机量子材料发展的重要一步。通过创造一种结合了稳定性、发光性和多状态控制能力的分子，研究人员为量子传感和计算提供了一个新工具。利用光来读写信息的能力，结合该分子在室温下的鲁棒性，为将量子技术集成到日常设备中开辟了可能性。虽然该分子目前只是实验室原型，但其设计原则为未来的改进提供了清晰的路径。研究人员建议，通过调整分子的对称性，他们可以进一步分离能级，从而更容易地控制单个状态。这个分子不仅仅是一种新的化学化合物；它是一个证明，即复杂的量子行为可以被工程化到简单的有机结构中，使实现分子级量子器件的梦想离现实又近了一步。