Ученые синтезировали серию координационных соединений, которые могут лечь в основу процессоров квантовых компьютеров. В полученных молекулярных комплексах магнитные моменты атомов (спины), которые можно сравнить с мельчайшими стрелками компасов, способны ориентироваться одновременно в нескольких направлениях — условно показывать и на север, и на юг. При этом разные атомы «чувствуют» друг друга: их состояния оказываются взаимно зависимы. Такая согласованная неопределенность сохраняется достаточно долго для того, чтобы использовать ее для передачи информации в устройствах, работающих на квантовых принципах. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Dalton Transactions.
Современные компьютеры, обрабатывающие информацию с помощью электрических сигналов, практически достигли предела производительности и миниатюризации. Все чаще их мощностей оказывается недостаточно для обработки огромных массивов данных и сложных математических вычислений. Поэтому ученые разрабатывают устройства, которые используют альтернативные принципы вычислений, например, квантовые процессы.
В этом случае передача и обработка информации осуществляется за счет способности определенных материалов находиться сразу в нескольких состояниях одновременно. Это позволяет решать задачи (например, моделировать сложные молекулы для создания лекарств и просчитывать логистические цепочки с множеством переменных) в сотни раз быстрее, чем это делают обычные компьютеры, а также выполнять недоступные традиционным устройствам операции. Однако развитие подобных устройств тормозится из-за того, что соединений, способных длительно удерживать свое «двойственное» состояние, пока очень мало.
Исследователи из Федерального исследовательского центра проблем химической физики и медицинской химии РАН (Черноголовка), Института физики твердого тела РАН (Черноголовка) и Киотского университета (Япония) синтезировали металлорганические комплексы, атомы в которых способны находиться в состоянии неопределенности, называемом квантовой когерентностью.
За основу химики взяли фталоцианины — синтетические органические вещества, которые по структуре напоминают природные пигменты, такие как хлорофилл в растениях и гемоглобин в крови человека. Эти молекулы имеют форму плоского кольца и способны «удерживать» внутри себя атомы металлов, с помощью которых можно тонко «настраивать» электронные и магнитные свойства получаемых комплексов. Фталоцианины широко используются при производстве красителей и в качестве катализаторов, но квантовые свойства комплексов металлов с фталоцианинами оставались не исследованы.
Авторы синтезировали три комплекса металлов — ванадия, меди и олова — с фталоцианином. Эти металлы сильно отличаются друг от друга по электронной структуре, поэтому их сравнение позволило исследователям лучше понять, как настроить свойства комплексов, чтобы использовать их как основу квантовой памяти.
Комплекс с оловом авторы использовали в качестве эталона, поскольку он представляет собой диамагнетик: у олова нет неспаренного электрона, а потому этот атом изначально не создает магнитного поля. У ванадия и меди, напротив, есть по одному неспаренному электрону, спин которого служит той самой «стрелкой компаса», используемой как носитель информации.
Оказалось, что в комплексах с ванадием и медью эти «стрелки компаса» ведут себя как квантовые объекты: они способны одновременно находится в нескольких состояниях — то есть демонстрируют эффект квантовой когерентности.
Оба материала поддерживали эту «неопределенность» до 4 микросекунд — в сотни раз дольше времени, которое занимал стандартный управляющий импульс, использованный авторами в эксперименте для возбуждения комплексов. Именно это соотношение — значительно большая длительность — и позволяет считать новые соединения перспективными кандидатами для создания кубитов — базовых элементов квантовых процессоров.
«Исследование может стать толчком для создания ультраминиатюрных устройств — сверхплотных носителей информации, элементов квантовой памяти, светоуправляемых сенсоров, переключателей и магнитных меток. Внедрение подобных устройств в технику повысит ее производительность, безопасность и энергоэффективность. В дальнейшем мы планируем модифицировать полученные комплексы, чтобы еще больше увеличить время их нахождения в состоянии квантовой когерентности. Уже сейчас на примере комплекса ванадия нам удалось показать, что время жизни такого состояния зависит от того, как был приготовлен образец. Еще один способ повлиять на электронные свойства соединений — это ввести заместители различной природы в органическую часть комплекса», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Максим Фараонов, доктор химических наук, ведущий научный сотрудник отдела кинетики и катализа ФИЦ ПХФ и МХ РАН.
