Các nhà vật lý Nhật Bản đã sử dụng khung kim loại-hữu cơ để duy trì được ‘trạng thái liên kết’ của electron trong 100 nano giây ở nhiệt độ phòng.
Nhiệt độ là kẻ thù của sự bất định lượng tử. Bằng cách sắp xếp các phân tử hấp thụ ánh sáng theo một trật tự cụ thể, các nhà vật lý ở Nhật Bản, theo một nghiên cứu được công bố trên Science Advances, đã duy trì được trạng thái tới hạn chưa xác định của spin electron trong 100 nano giây ở nhiệt độ phòng.
Sự đổi mới này có thể có tác động mạnh mẽ đến sự phát triển của các công nghệ lượng tử không yêu cầu các hệ thống làm mát lớn và đắt tiền hiện nay để giữ cho các hạt vi mô “được liên kết”.
Không giống như cách chúng ta mô tả các vật thể trong cuộc sống hàng ngày, với những tính chất như màu sắc, vị trí, tốc độ và chuyển động, mô tả lượng tử của các vật thể liên quan đến một thứ ít ổn định hơn. Cho đến khi các đặc điểm của chúng được cố định lại trong một khoảng thời gian cực ngắn nhất định, chúng ta phải quan sát các vật thể như thể chúng bị nhoè đi trên một không gian rộng lớn, quay theo các hướng khác nhau, chưa thể áp dụng bất cứ phép đo đơn giản nào.
Những quy tắc chi phối vô số khả năng này, được gọi là chồng chất các trạng thái, khiến cho các nhà khoa học bối rối trong khi nghiên cứu chúng. Các kỹ sư có thể sử dụng nhiều loại máy tính đặc biệt khác nhau với các thiết bị đo lường và hình ảnh cực nhạy để đo lường và "xử lý" các con số không xác định này.
Tuy nhiên, mọi tương tác với môi trường đều làm chúng thay đổi trạng thái một cách mơ hồ theo một cách nào đó. Về một mặt nào đó, điều này là rất hữu ích cho các ứng dụng lượng tử. Máy tính lượng tử dựa vào sự vướng víu của các hạt với nhau để tinh chỉnh các trạng thái chồng chất của chúng. Cảm biến lượng tử dựa vào các tương tác chính xác giữa sự chồng chất trạng thái và môi trường để đo lường xung quanh chúng.
Tăng nhiệt độ, sự va chạm của các nguyên tử dao động và độ chói lòa của điện từ sẽ dễ dàng biến một trạng thái khả thi liên kết của các hạt thành một khối electron nhàm chán và vô dụng.
Đây không phải là một vấn đề lớn nếu chúng ta có đủ nguồn lực để bơm chất lỏng siêu lạnh qua thiết bị của mình để giảm nhiễu. Nhưng điều mà mọi nhà vật lý lượng tử thực sự mơ ước là tìm cách giảm chi phí bằng cách vận hành các thiết bị của họ ở nhiệt độ cao hơn nhiều so với nhiệt độ đóng băng theo yêu cầu.
Điều này đã được thực hiện trước đây trong các phức hợp được thiết kế đặc biệt làm bằng kim loại, nơi bảo tồn trạng thái lượng tử trong trạng thái chồng chất đủ lâu để chúng tương đối hữu ích.
Trong đột phá mới này, các nhà nghiên cứu lần đầu tiên sử dụng một loại vật liệu khác gọi là khung kim loại-hữu cơ (metal-organic framework - viết tắt là MOF). Trong cấu trúc này, họ nhúng các phân tử được gọi là sắc tố (chromophores), các phân tử này hấp thụ và phát ra ánh sáng ở các bước sóng cụ thể.
Nobuhiro Yanai, nhà vật lý từ Đại học Kyushu, cho biết: "MOF trong công trình này là một hệ thống độc đáo có thể tích tụ mật độ dày đặc các sắc tố. Ngoài ra, các lỗ nano bên trong tinh thể cho phép sắc tố quay nhưng với một góc rất hạn chế".
Khi làm như vậy, các cặp electron trong các sắc tố này với spin khớp nhau sẽ được kích hoạt thành một sắp xếp mới hoạt động trong một trạng thái chồng chất. Mặc dù hiện tượng này đã được nghiên cứu kỹ lưỡng trong công nghệ pin mặt trời, nhưng nó vẫn chưa được khai thác cho mục đích cảm biến lượng tử.
Trong một thử nghiệm do Yanai dẫn đầu, một nhóm các nhà nghiên cứu đã sử dụng sóng vi ba để thăm dò các electron ở trạng thái biến đổi của chúng để chứng minh rằng chúng có thể duy trì trạng thái chồng trong khoảng 100 phần tỷ giây ở nhiệt độ phòng - một khoảng thời gian đáng nể có thể được mở rộng hơn với một số tinh chỉnh.
"Điều này có thể mở ra cánh cửa cho máy tính lượng tử phân tử hoạt động ở nhiệt độ phòng dựa trên kiểm soát cổng lượng tử đa nấc và cảm biến lượng tử của các hợp chất mục tiêu khác nhau", Yanai nói.
Theo Science Alert
