研究人员首次在室温下观察到分子系统中具有四个电子自旋的五重态的量子相干性

在《科学进展》杂志上发表的一项研究中，由九州大学工程学院Nobuhiro Yanai 副教授领导的一组研究人员与九州大学 Kiyoshi Miyata 副教授和神户大学 Yasuhiro Kobori 教授合作，报告说，他们在室温下实现了量子相干性：量子系统随着时间的推移保持明确状态而不受周围扰动影响的能力

这一突破是通过将发色团(一种吸收光并发射颜色的染料分子)嵌入金属有机框架(MOF)(一种由金属离子和有机配体组成的纳米多孔晶体材料)中实现的。

他们的发现标志着量子计算和传感技术的重大进步。虽然量子计算被定位为计算技术的下一个重大进步，但量子传感是一种利用量子比特(经典计算中比特的量子类似物，可以以 0 和 1 的叠加形式存在)的量子力学特性的传感技术。

可以采用各种系统来实现量子位，其中一种方法是利用电子的本征自旋(一种与粒子磁矩相关的量子特性)。电子有两种自旋态：向上自旋和向下自旋。基于自旋的量子位可以以这些状态的组合存在，并且可以“纠缠”，从而允许从一个量子位的状态推断出另一个量子位的状态。

通过利用量子纠缠态对环境噪声极其敏感的特性，量子传感技术有望实现比传统技术更高分辨率和更高灵敏度的传感。然而，到目前为止，纠缠四个电子并使其对外部分子做出响应，即使用纳米多孔 MOF 实现量子传感一直具有挑战性。

值得注意的是，发色团可用于在室温下通过称为单线裂变的过程激发具有所需电子自旋的电子。然而，在室温下，量子位中存储的量子信息会失去量子叠加和纠缠。因此，通常只能在液氮水平的温度下实现量子相干性。

为了抑制分子运动并实现室温量子相干性，研究人员在 UiO 型 MOF 中引入了基于并五苯(由五个线性稠合苯环组成的多环芳烃)的发色团。“这项工作中的 MOF 是一个独特的系统，可以密集地积累发色团。此外，晶体内部的纳米孔使发色团能够旋转，但角度非常有限，”柳井说。

MOF结构促进并五苯单元中足够的运动，以允许电子从三重态跃迁到五重态，同时还充分抑制室温下的运动以保持五重态多激子态的量子相干性。通过微波脉冲光激发电子，研究人员可以在室温下观察超过 100 纳秒的量子态相干性。“这是纠缠五重奏的第一个室温量子相干性，”兴奋的小堀说道。

虽然仅观察到纳秒的相干性，但这些发现将为设计在室温下生成多个量子位的材料铺平道路。Yanai 推测：“通过寻找能够诱导更多此类抑制运动的客体分子并开发合适的 MOF 结构，未来将有可能更有效地生成五重多激子态量子位。” “这可以为基于多量子门控制和各种目标化合物的量子传感的室温分子量子计算打开大门。”

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