Les chercheurs ont atteint la cohérence quantique à température ambiante en intégrant un chromophore absorbant la lumière dans un cadre métallo-organique. Cette percée, facilitant le maintien de l’état d’un système quantique sans interférence externe, marque une avancée significative pour les technologies d’informatique et de détection quantiques.
Les chercheurs observent pour la première fois à température ambiante la cohérence quantique d’un état quintette à quatre spins électroniques dans des systèmes moléculaires.
Dans une étude publiée dans Avancées scientifiquesun groupe de chercheurs dirigé par le professeur agrégé Nobuhiro Yanai de la faculté d’ingénierie de l’université de Kyushu, en collaboration avec le professeur agrégé Kiyoshi Miyata de l’université de Kyushu et le professeur Yasuhiro Kobori de l’université de Kobe, rapporte qu’ils ont atteint cohérence quantique à température ambiante : capacité d’un système quantique à maintenir un état bien défini dans le temps sans être affecté par les perturbations environnantes
Cette percée a été rendue possible en intégrant un chromophore, une molécule colorante qui absorbe la lumière et émet de la couleur, dans une structure métallo-organique, ou MOF, un matériau cristallin nanoporeux composé d’ions métalliques et de ligands organiques.
Faire progresser les technologies quantiques
Leurs découvertes marquent une avancée cruciale pour l’informatique quantique et les technologies de détection. Alors que l’informatique quantique se positionne comme la prochaine avancée majeure de la technologie informatique, la détection quantique est une technologie de détection qui utilise les propriétés mécaniques quantiques des qubits (analogues quantiques des bits de l’informatique classique qui peuvent exister dans une superposition de 0 et 1).
Divers systèmes peuvent être utilisés pour mettre en œuvre des qubits, une approche étant l’utilisation du spin intrinsèque (une propriété quantique liée au moment magnétique d’une particule) d’un électron. Les électrons ont deux états de spin : une rotation ascendante et une rotation descendante. Les qubits basés sur le spin peuvent exister dans une combinaison de ces états et peuvent être « intriqués », permettant de déduire l’état d’un qubit d’un autre.
L’incorporation d’un chromophore dans une structure métallo-organique a suffisamment supprimé le mouvement moléculaire pour maintenir la cohérence quantique de l’état du quintette pendant plus de 100 nanosecondes. Crédit : Nobuhiro Yanai
Les défis de la détection quantique
En tirant parti de la nature extrêmement sensible d’un état quantique intriqué au bruit ambiant, la technologie de détection quantique devrait permettre une détection avec une résolution et une sensibilité plus élevées que les techniques traditionnelles. Cependant, jusqu’à présent, il a été difficile d’intricer quatre électrons et de les faire réagir à des molécules externes, c’est-à-dire de réaliser une détection quantique à l’aide d’un MOF nanoporeux.
Notamment, les chromophores peuvent être utilisés pour exciter des électrons dotés de spins électroniques souhaités à température ambiante grâce à un processus appelé fission singulet. Cependant, à température ambiante, les informations quantiques stockées dans les qubits perdent leur superposition et leur intrication quantiques. En conséquence, il n’est généralement possible d’atteindre une cohérence quantique qu’à des températures au niveau de l’azote liquide.
Approche innovante de la cohérence quantique
Pour supprimer le mouvement moléculaire et obtenir une cohérence quantique à température ambiante, les chercheurs ont introduit un chromophore à base de pentacène (hydrocarbure aromatique polycyclique constitué de cinq cycles benzéniques fusionnés linéairement) dans un MOF de type UiO. « Le MOF dans ce travail est un système unique capable d’accumuler de manière dense des chromophores. De plus, les nanopores à l’intérieur du cristal permettent au chromophore de tourner, mais selon un angle très restreint », explique Yanai.
La structure MOF a facilité suffisamment de mouvement dans les unités pentacènes pour permettre aux électrons de passer de l’état triplet à un état quintette, tout en supprimant suffisamment le mouvement à température ambiante pour maintenir la cohérence quantique de l’état multiexciton quintette. En photoexcitant des électrons avec des impulsions micro-ondes, les chercheurs ont pu observer la cohérence quantique de l’état pendant plus de 100 nanosecondes à température ambiante. « Il s’agit de la première cohérence quantique à température ambiante de quintettes intriqués », remarque Kobori excité.
Implications futures pour l’informatique quantique
Bien que la cohérence n’ait été observée que pendant des nanosecondes, les résultats ouvriront la voie à la conception de matériaux permettant de générer plusieurs qubits à température ambiante. « Il sera possible de générer plus efficacement des qubits d’états multiexcitons en quintette à l’avenir en recherchant des molécules invitées capables d’induire davantage de mouvements supprimés de ce type et en développant des structures MOF appropriées », spécule Yanai. « Cela peut ouvrir les portes à l’informatique quantique moléculaire à température ambiante, basée sur le contrôle de plusieurs portes quantiques et la détection quantique de divers composés cibles. »
