פריצת דרך במחשבים קוונטיים: קיוביטים יציבים בטמפרטורת החדר

חוקרים מיפן השיגו פריצת דרך משמעותית בתחום המחשבים קוונטיים, על ידי שמירה על קוהרנטיות קוונטית בטמפרטורת החדר. קוהרנטיות קוונטית מתארת את היכולת של מערכת קוונטית לשמור על מצב מוגדר היטב לאורך זמן, מבלי להיות מושפע מהפרעות סביבתיות

חוקרים מאוניברסיטת קיושו, בשיתוף פעולה עם חוקרים מאוניברסיטת קובה (Kobe), השיגו פריצת דרך משמעותית בתחום המחשבים קוונטיים, על ידי שמירה על קוהרנטיות קוונטית בטמפרטורת החדר. קוהרנטיות קוונטית מתארת את היכולת של מערכת קוונטית לשמור על מצב מוגדר היטב לאורך זמן, מבלי להיות מושפע מהפרעות סביבתיות. זוהי אבן דרך חשובה המסמנת צעד קדימה משמעותי עבור טכנולוגיות מחשוב וחישה קוונטיים.

החדשנות המשמעותית היא שהחוקרים הצליחו להשיג קוהרנטיות זו על ידי הטמעת כרומופור, מולקולת צבע שסופגת אור ופולטת צבע, בתוך מסגרת אורגנו-מתכתית (MOF), חומר גבישי ננופורי המורכב מיוני מתכת וליגנדים אורגניים.

ליגנדים אורגניים הם מולקולות אורגניות שיכולות לקשר ליון מתכת וליצור קומפלקס, המכונה גם קומפלקס אורגנומתכתי. הליגנדים מסוגלים לתרום זוגות אלקטרונים ליון המתכת ובכך ליצור קשר קואורדינטיבי. קומפלקסים בהם ליגנדים אורגניים קשורים לגרעין מתכתי באמצעות אטום פחמן, נקראים קומפלקסים אורגנומתכתיים.

תאוריית שדה הליגנד מתארת את הקישור הקואורדינטיבי שנוצר בין הליגנדים לבין יוני המתכת, והיא משמשת להסברת התכונות הכימיות והפיזיקליות של קומפלקסים אלו.

מחקר זה, שפורסם בכתב העת Science Advances, מתאר כיצד הצוות בראשותו של פרופ’ נובוהירו ינאי מפקולטה להנדסה באוניברסיטת קיושו, הצליח להביא לקוהרנטיות קוונטית של מצב קווינטט עם ארבעה ספינים אלקטרוניים במערכות מולקולריות בטמפרטורת החדר, פריצת דרך שלא נראתה קודם.

התקדמות זו מצביעה על אפשרות לייצר קיוביטים יציבים בטמפרטורת החדר, צעד חשוב לקראת הפיכת המחשב הקוונטי למציאות פרקטית. קיוביטים, אנלוגים הקוונטיים של הביטים במחשוב הקלאסי, יכולים להתקיים בסופרפוזיציה של 0 ו-1, ולהיות “מקושרים קוונטית”, כך שמצבו של קיוביט אחד יכול להיקבע מהקיוביט האחר.

לפי המחקר, הטמעת הכרומופור במסגרת האורגנו-מתכתית מאפשרת דיכוי של התנועה המולקולרית דיו כדי לשמור על קוהרנטיות המצב הקווינטטי למעלה מ-100 ננו-שניות.

קשיים בחישה קוונטית נפתרו גם כן באמצעות השימוש בכרומופורים, אשר יכולים להפעיל אלקטרונים עם ספינים רצויים בטמפרטורת החדר. עד כה, היה קשה להשיג קוהרנטיות קוונטית בטמפרטורת החדר מכיוון שהמידע הקוונטי אבד בשל פיזור הסופרפוזיציה והקשר הקוונטי.

ממצאים אלו מצביעים על פוטנציאל עצום להתקדמות נוספת בתחום המחשוב והחישה הקוונטיים, כאשר יהיה ניתן לייצר קיוביטים מרובים בטמפרטורת החדר, מה שיאפשר בסופו של דבר מחשוב קוונטי מולקולרי בטמפרטורת החדר עם שליטה על שערים קוונטיים מרובים וחישה קוונטית של תרכובות שונות.