Молекула с металл-металлическими связями стала стабильным кубитом, открыв путь к материалам для квантовых компьютеров

Исследователи из Университета Кумамото в сотрудничестве с коллегами из Южной Кореи и Тайваня обнаружили, что уникальная молекула на основе кобальта с металл-металлическими связями может функционировать в качестве спинового кубита — фундаментальной единицы для будущих квантовых компьютеров. Эти открытия предлагают новую стратегию проектирования молекулярных материалов для квантовых информационных технологий.

Основная структура [Co₃(dpa)₄Cl₂] со схематической иллюстрацией спинового кубита. Автор: Sekine et al.

Исследование опубликовано в журнале Chemical Communications.

Квантовые вычисления и спиновые кубиты

Квантовые компьютеры обрабатывают информацию с помощью квантовых битов, или кубитов, которые могут существовать в нескольких состояниях одновременно. Среди различных подходов спиновые кубиты, использующие спин электрона, особенно привлекательны, поскольку ими можно точно управлять с помощью методов магнитного резонанса. Однако создание стабильных и долгоживущих спиновых кубитов на молекулярном уровне оставалось серьёзной проблемой.

Исследовательская группа сосредоточилась на жёсткой молекуле, состоящей из трёх ионов кобальта, выстроенных в прямую линию и непосредственно соединённых металл-металлическими связями. Это соединение, известное как Co₃(dpa)₄Cl₂, также является «спин-кроссоверным» материалом, то есть его спиновое состояние может меняться в ответ на внешние условия, такие как температура. До сих пор экспериментально не было подтверждено, может ли такая молекула служить спиновым кубитом.

Экспериментальные результаты и значение

Используя передовые магнитные измерения и импульсную электронную парамагнитную резонансную (ЭПР) спектроскопию, исследователи тщательно изучили, как долго спины электронов в молекуле могут сохранять своё квантовое состояние. Они обнаружили, что молекула демонстрирует медленную магнитную релаксацию, а время жизни спина достаточно велико, чтобы соответствовать ключевым требованиям для квантовой обработки информации. Важно, что спин электрона не ограничен одним атомом металла, а делокализован по всем трём ионам кобальта, что помогает стабилизировать квантовое состояние.

Команда также наблюдала чёткие осцилляции Раби, признак контролируемого квантового поведения, демонстрируя, что спиновыми состояниями можно когерентно управлять. Эти результаты впервые показывают, что молекула с металл-металлическими связями может действовать как функциональный спиновый кубит.

«Эта работа открывает новый путь для проектирования молекулярных кубитов, — сказал профессор Синья Хаями с факультета передовых науки и технологий Университета Кумамото, руководивший исследованием. — Используя жёсткие многоядерные металлокомплексы, мы можем подавить нежелательные вибрации и достичь более длительного времени жизни спина».

Исследователи ожидают, что их открытия ускорят разработку молекулярных квантовых материалов с потенциальным применением в квантовых вычислениях, квантовой памяти и спинтронике.

Больше информации: Yoshihiro Sekine et al, Slow magnetic relaxation in a trinuclear spin-crossover Co(ii) compound with metal–metal bonding, Chemical Communications (2025). DOI: 10.1039/d5cc03879k

Источник: Kumamoto University

Интересный факт: В отличие от классических битов, которые могут быть только 0 или 1, кубит благодаря квантовому свойству суперпозиции может находиться в состоянии, которое является комбинацией 0 и 1 одновременно. Это позволяет квантовым компьютерам решать определённые задачи, такие как факторизация больших чисел или моделирование молекул, экспоненциально быстрее классических систем. Разработка стабильных молекулярных кубитов, подобных описанному в исследовании, является важным шагом на пути к созданию масштабируемых и практичных квантовых процессоров.