Dans une étude récente, une équipe de chercheurs japonais a réussi à maintenir la cohérence quantique à température ambiante, une réalisation qui pourrait avoir des implications significatives pour l’informatique et la détection quantiques. Découvrez comment ils ont réussi cet exploit et ce que cela signifie pour l’avenir de ces technologies.
Une équipe de chercheurs dirigée par le professeur associé Nobuhiro Yanai de l’Université de Kyushu, en collaboration avec le professeur associé Kiyoshi Miyata de la même université et le professeur Yasuhiro Kobori de l’Université de Kobe, a publié une étude dans Science Advances où ils rapportent avoir réussi à maintenir la cohérence quantique à température ambiante.
Cette réalisation signifie que le système quantique a pu maintenir un état bien défini au fil du temps sans être affecté par les perturbations environnantes.
La réalisation a été rendue possible en intégrant un chromophore, une molécule de colorant qui absorbe la lumière et émet de la couleur, dans un cadre organométallique, ou MOF, un matériau cristallin nanoporeux composé d’ions métalliques et de ligands organiques.
Implications pour l’informatique et la détection quantiques
Les résultats de cette étude marquent une étape importante pour l’informatique et la détection quantiques. L’informatique quantique est considérée comme la prochaine grande évolution de la technologie informatique, tandis que la détection quantique est une technologie de détection qui utilise les propriétés quantiques des qubits (analogues quantiques des bits en informatique classique qui peuvent exister dans une superposition de 0 et 1).
Différents 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 : spin up et spin down. Les qubits basés sur le spin peuvent exister dans une combinaison de ces états et peuvent être «intriqués», permettant d’inférer l’état d’un qubit à partir d’un autre.
Vers une détection quantique à température ambiante
En exploitant la nature extrêmement sensible d’un état intriqué quantique au bruit environnemental, la technologie de détection quantique devrait permettre une détection de plus haute résolution et sensibilité par rapport aux techniques traditionnelles. Jusqu’à présent, il a été difficile d’intriquer quatre électrons et de les faire répondre à des molécules externes, c’est-à-dire d’atteindre la détection quantique en utilisant un MOF nanoporeux.
Notamment, les chromophores peuvent être utilisés pour exciter les électrons avec des spins électroniques souhaitables à température ambiante grâce à un processus appelé fission singulet. A température ambiante, l’information quantique stockée dans les qubits perd la superposition quantique et l’intrication. En conséquence, il est généralement seulement possible d’atteindre la cohérence quantique à des températures de niveau azote liquide.
La solution : un chromophore basé sur le pentacène
Pour supprimer le mouvement moléculaire et atteindre la cohérence quantique à température ambiante, les chercheurs ont introduit un chromophore basé sur le pentacène (hydrocarbure aromatique polycyclique composé de cinq anneaux de benzène fusionnés linéairement) dans un MOF de type UiO.
« Le MOF dans ce travail est un système unique qui peut accumuler densément des chromophores. De plus, les nanopores à l’intérieur du cristal permettent au chromophore de tourner, mais à un angle très restreint », explique Nobuhiro Yanai.
La structure du MOF a facilité suffisamment de mouvement dans les unités de pentacène pour permettre aux électrons de passer de l’état triplet à un état quintet, tout en supprimant suffisamment le mouvement à température ambiante pour maintenir la cohérence quantique de l’état multiexciton quintet.
En excitant photoélectriquement les 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.
« C’est la première cohérence quantique à température ambiante des quintets intriqués », remarque un Yasuhiro Kobori.
En synthèse
Alors que la cohérence n’a été observée que pendant des nanosecondes, ces résultats ouvrent la voie à la conception de matériaux pour la génération de plusieurs qubits à température ambiante.
« Il sera possible de générer des qubits d’état multiexciton quintet plus efficacement à l’avenir en recherchant des molécules invitées qui peuvent induire plus de ces mouvements supprimés et en développant des structures MOF appropriées », spécule Nobuhiro Yanai. « Cela peut ouvrir des 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. »
Pour une meilleure compréhension
Qu’est-ce que la cohérence quantique ?
La cohérence quantique est la capacité d’un système quantique à maintenir un état bien défini au fil du temps sans être affecté par les perturbations environnantes.
Qu’est-ce qu’un qubit ?
Un qubit est l’analogique quantique des bits en informatique classique qui peuvent exister dans une superposition de 0 et 1.
Qu’est-ce que la détection quantique ?
La détection quantique est une technologie de détection qui utilise les propriétés quantiques des qubits.
Qu’est-ce qu’un MOF ?
Un MOF est un matériau cristallin nanoporeux composé d’ions métalliques et de ligands organiques.
Qu’est-ce que le pentacène ?
Le pentacène est un hydrocarbure aromatique polycyclique composé de cinq anneaux de benzène fusionnés linéairement.
Références
Article : « Room-temperature quantum coherence of entangled multiexcitons in a metal-organic framework » – DOI: 10.1126/sciadv.adi3147
