Представьте себе квантовые устройства, которые работают без гигантских охлаждающих машин и кристаллов, где холоднее, чем в открытом космосе.
Долгие десятилетия ученые не могли решить проблему с развитием квантовой техники из-за ограничений в лабораторных условиях, делая ее непрактичной для повседневного использования. Но теперь химики из Технологического института Джорджии и Университета Алабамы предложили решение, способное изменить это.
Они создали особый полимер — высокотехнологичный пластик, который способен удерживать квантовые состояния при комнатной температуре. Это открытие может перевести квантовые устройства из специализированных лабораторий прямо в реальные технологии. Результаты их работы опубликованы в журнале Advanced Materials.
Как работает «квантовый пластик»
Вместо жестких кристаллов, вроде алмаза или карбида кремния, ученые использовали химические молекулы. Они собрали конъюгированную цепочку из чередующихся блоков: один донорский (дитиенсилол), второй акцепторный (тиадиазолохиноксалин). Такая структура позволяет неспаренным электронам свободно двигаться по цепи, сохраняя тонкие квантовые состояния.
Особый ход — внедрение атома кремния в донорский блок, что слегка скручивает полимерную цепь. Обычно плотная укладка цепей приводит к сильным взаимодействиям между спинами, которые уничтожают квантовые состояния. Легкое перекручивание уменьшает эти нежелательные эффекты, позволяя электронам взаимодействовать «по правилам игры».
Длинные углеводородные боковые цепи не дают молекулам слипаться, помогают растворению материала и поддерживают когерентность электронов по всей длине полимера. Теоретическое моделирование и эксперименты подтвердили: материал ведет себя как единая система с выровненными спинами — состояние, аналогичное твердотельным кубитам.
Испытания в лаборатории
В лаборатории команда провела магнитометрические тесты, подтверждающие наличие триплетного основного состояния — когда два неспаренных электрона выстроены в одном направлении. Спектроскопия электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) показала узкие и симметричные сигналы, указывающие на стабильное поведение спинов. Значение g-фактора оказалось почти 2,0, что говорит о низком уровне возмущений со стороны окружающей среды — ключевой фактор для стабильной квантовой информации.
Настоящий прорыв исследователи заметили, когда измерили, как долго квантовые состояния — спины электронов — остаются стабильными. При комнатной температуре время релаксации спиновой решетки (T1) составляло около 44 микросекунд — это показывает, как быстро спины возвращаются в свое исходное состояние после воздействия. Время фазовой памяти (Tm) было примерно 0,3 микросекунды — это период, в течение которого спины сохраняют согласованность, то есть не «рассинхронизируются» между собой.
Эти результаты уже лучше, чем у многих других молекулярных систем, и главное — достигаются без использования сверхнизких температур или специальных защитных матриц, которые обычно нужны для сохранения квантовой информации.
Когда полимер охлаждали до 5,5 К ( –267,65 °C, но не абсолютный ноль), T1 увеличивалось до 44 миллисекунд, а Tm — до более чем 1,5 микросекунды. Иными словами, спины становились еще более стабильными и дольше сохраняли квантовую согласованность, что крайне важно для практических квантовых вычислений.
Команда также продемонстрировала осцилляции Раби — способность управлять спиновыми состояниями с помощью микроволн, что является основой квантовых операций.
Применимость в технологиях
Важно, что полимер можно формировать в тонкие пленки, использовать в качестве p-типа полупроводника в транзисторах и повторно применять без потери свойств. Это делает его подходящим для интеграции с обычной электроникой, сочетая квантовые и классические функции.
«Эта работа демонстрирует принципиально новый подход к органическим кубитам с высоким уровнем вращения, обеспечивающим когерентное управление в твердом состоянии», — отмечают авторы.
По словам ученых, потенциал у новой технологии огромен: квантовые сенсоры для повседневной среды, тонкопленочные устройства с квантовыми возможностями и масштабируемые платформы для исследований квантовых вычислений.