Odpowiedź na to wyzwanie może dotrzeć do nas z nieoczekiwanej strony świata chemii. Zamiast szukać rozwiązań w wyrafinowanych strukturach krzemowych, naukowcy zwrócili uwagę na związki metali. Ich najnowsze odkrycie stawia w centrum uwagi dość niecodzienną molekułę na bazie kobaltu, której właściwości mogą w końcu zapewnić kubitom tak potrzebną trwałość.
Trzy atomy kobaltu ułożone w linii prostej
Kluczem do sukcesu okazał się związek chemiczny oznaczony wzorem Co₃(dpa)₄Cl₂. Jego struktura jest nietypowa, ponieważ składa się z trzech jonów kobaltu ustawionych w jednej linii i połączonych bezpośrednimi wiązaniami między metalicznymi atomami. Taka konfiguracja nie jest powszechna w chemii, ale w tym przypadku okazała się niezwykle korzystna. Cząsteczka należy do grupy materiałów, których stan spinowy może się przełączać w odpowiedzi na zmiany temperatury czy innych czynników zewnętrznych.
Czytaj także: Rynek wydobycia kobaltu ma wielki problem. Ale nie taki, jakiego się spodziewacie
Badania nad tym związkiem przeprowadził zespół pod kierunkiem profesora Shinya Hayami z Uniwersytetu Kumamoto, we współpracy z naukowcami z Korei Południowej i Tajwanu. Użyli oni zaawansowanych technik pomiarowych, takich jak magnetyczne pomiary i spektroskopia EPR, aby ocenić, jak długo elektrony w cząsteczce potrafią zachować swój stan kwantowy. Wyniki były zaskakujące – czas życia spinu okazał się wystarczająco długi, by myśleć o praktycznym wykorzystaniu go w przetwarzaniu informacji. To pierwsze potwierdzenie, że związek z takimi wiązaniami metal-metal może faktycznie działać jako funkcjonalny spinowy kubit.
Delokalizacja spinu kluczem do stabilności kubitu
Co sprawia, że ten konkretny związek jest tak wyjątkowy? Sekret tkwi w sposobie rozkładu spinu. W tradycyjnych podejściach stan kwantowy jest zwykle zlokalizowany na pojedynczym atomie, co czyni go podatnym na zakłócenia. W przypadku związu Co₃(dpa)₄Cl₂ spin jest rozproszony na wszystkie trzy jony kobaltu. Ta właściwość działa na zasadzie redundancji – nawet jeśli jeden z atomów doświadczy zakłóceń wywołanych wibracjami termicznymi czy polem magnetycznym, pozostałe dwa pomagają utrzymać integralność całego układu.
Sztywna struktura połączona wiązaniami metal-metal pełni dodatkowo rolę naturalnego tłumika dla niepożądanych drgań molekularnych. To istotne, ponieważ wibracje są jednym z głównych powodów dekoherencji, czyli utraty spójności stanu kwantowego. Dzięki minimalizacji tego zjawiska, czas dostępny na wykonanie operacji logicznych na kubicie wydłuża się, co jest podstawowym warunkiem dla jakichkolwiek użytecznych obliczeń.
Czytaj także: Komputer kwantowy, jakiego jeszcze nie było. Nowa konstrukcja została już zaprezentowana światu
Sam fakt, że coś jest stabilne, nie wystarczy, aby nazwać to funkcjonalnym kubitem. Najważniejszym testem jest możliwość precyzyjnego sterowania jego stanem. Naukowcy przeszli ten test pomyślnie, obserwując w molekule wyraźne oscylacje Rabiego. Są to charakterystyczne, okresowe zmiany stanu kwantowego wywołane zewnętrznym impulsem elektromagnetycznym. Zaobserwowanie ich jest bezpośrednim dowodem na to, że stanami spinowymi w tej strukturze można spójnie manipulować, nadając im konkretne wartości – a to właśnie jest esencja obliczeń kwantowych.
Wyniki opisywanych tu prac zostały opublikowane już w 2025 roku w artykule autorstwa Yoshihiro Sekine i współpracowników. Choć brzmi to obiecująco, warto pamiętać, że od laboratoryjnego demonstrowania pojedynczego, stabilnego kubitu do zbudowania działającego komputera kwantowego droga jest jeszcze bardzo długa.
Co dalej z kwantową chemią?
Odkrycie zespołu prof. Hayami otwiera nowy, ciekawy rozdział w poszukiwaniu idealnego kubitu. Pokazuje, że warto przyjrzeć się zapomnianym lub nietypowym klasom związków chemicznych, które mogą oferować unikalne właściwości kwantowe. Delokalizacja spinu w sztywnej strukturze molekularnej wydaje się być szczególnie trafnym kierunkiem. Praca ta nie rozwiązuje oczywiście wszystkich problemów inżynierii kwantowej, takich jak skalowanie układu do tysięcy czy milionów kubitów czy opracowanie wydajnych metod ich łączenia. Stanowi jednak istotny krok w fundamentalnych badaniach nad materiałami, dając nadzieję, że stabilne, oparte na chemii kubity mogą kiedyś znaleźć się w sercach przyszłych maszyn kwantowych. To podejście, chociaż na wczesnym etapie, oferuje świeżą perspektywę w dziedzinie, która często skupiała się na technologiach półprzewodnikowych i nadprzewodzących.