Com sua capacidade de aproveitar os estranhos poderes da mecânica quântica, Os qubits são a base para tecnologias potencialmente transformadoras - como novos e poderosos tipos de computadores ou sensores ultraprecisos.

Qubits (abreviação de bits quânticos) geralmente são feitos dos mesmos materiais semicondutores de nossa eletrônica cotidiana. Mas uma equipe interdisciplinar de físicos e químicos da University of Chicago e da Northwestern University desenvolveu um novo método para criar qubits feitos sob medida:sintetizando quimicamente moléculas que codificam informações quânticas em seu sistema magnético, ou "girar, "estados.

Esta nova abordagem de baixo para cima pode levar a sistemas quânticos com extraordinária flexibilidade e controle, ajudando a pavimentar o caminho para a tecnologia quântica de próxima geração.

"Esta é uma prova de conceito de uma tecnologia quântica poderosa e escalável, "disse David Awschalom, o Liew Family Professor em Engenharia Molecular na Pritzker School of Molecular Engineering (PME), que liderou a pesquisa junto com sua colega Danna Freedman, professor de química da Northwestern University. "Podemos aproveitar as técnicas de design molecular para criar novos sistemas em escala atômica para a ciência da informação quântica. A união dessas duas comunidades ampliará o interesse e tem o potencial de aprimorar o sensoriamento quântico e a computação."

Os resultados foram publicados em 12 de novembro na revista. Ciência .

Qubits funcionam aproveitando um fenômeno chamado superposição. Enquanto os bits clássicos usados ​​por computadores convencionais medem 1 ou 0, um qubit pode ser 1 e 0 ao mesmo tempo.

A equipe queria encontrar uma nova abordagem de baixo para cima para desenvolver moléculas cujos estados de spin podem ser usados ​​como qubits, e pode ser facilmente conectado ao mundo exterior. Para fazer isso, eles usaram moléculas organometálicas de cromo para criar um estado de spin que pudessem controlar com luz e microondas.

Ao excitar as moléculas com pulsos de laser precisamente controlados e medir a luz emitida, eles podiam "ler" o estado de spin das moléculas após serem colocadas em uma superposição - um requisito fundamental para usá-las em tecnologias quânticas

Variando apenas alguns átomos diferentes nessas moléculas por meio da química sintética, eles também foram capazes de modificar suas propriedades ópticas e magnéticas, destacando a promessa de qubits moleculares feitos sob medida.

"Nas últimas décadas, spins opticamente endereçáveis ​​em semicondutores têm se mostrado extremamente poderosos para aplicações, incluindo detecção aprimorada por quantum, "disse Awschalom, que também é diretor da Chicago Quantum Exchange e diretor da Q-NEXT, um Centro Nacional de Pesquisa em Ciência da Informação Quântica do Departamento de Energia liderado pelo Laboratório Nacional de Argonne. "Traduzir a física desses sistemas em uma arquitetura molecular abre uma poderosa caixa de ferramentas da química sintética para permitir uma nova funcionalidade que estamos apenas começando a explorar."

"Nossos resultados abrem uma nova área da química sintética. Demonstramos que o controle sintético de simetria e ligação cria qubits que podem ser tratados da mesma forma que defeitos em semicondutores, "Freedman disse." Nossa abordagem de baixo para cima permite a funcionalização de unidades individuais como 'qubits de designer' para aplicativos alvo e a criação de matrizes de estados quânticos prontamente controláveis, oferecendo a possibilidade de sistemas quânticos escaláveis. "

Uma aplicação potencial para essas moléculas poderia ser sensores quânticos projetados para atingir moléculas específicas. Esses sensores podem encontrar células específicas dentro do corpo, detectar quando a comida estraga, ou até mesmo detectar produtos químicos perigosos.

Essa abordagem de baixo para cima também pode ajudar a integrar as tecnologias quânticas às tecnologias clássicas existentes.

"Alguns dos desafios enfrentados pelas tecnologias quânticas podem ser superados com essa abordagem ascendente muito diferente, "disse Sam Bayliss, um pesquisador de pós-doutorado no Grupo Awschalom da Escola Pritzker de Engenharia Molecular da Universidade de Chicago e co-autor do artigo. "Usar sistemas moleculares em diodos emissores de luz foi uma mudança transformadora; talvez algo semelhante pudesse acontecer com qubits moleculares."

Daniel Laorenza, um estudante de pós-graduação na Northwestern University e co-primeiro autor, vê um enorme potencial para inovação química neste espaço. "Este controle quimicamente específico sobre o ambiente ao redor do qubit fornece um recurso valioso para integrar qubits moleculares opticamente endereçáveis ​​em uma ampla gama de ambientes, " ele disse.