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Gli arilossidi di zirconio dimostrano un controllo coerente per i qudit
Uno studio pubblicato su Nature Chemistry riferisce il controllo coerente delle transizioni di spin in tre molecole di zirconio(III), comprese transizioni accoppiate al nucleo dello zirconio-91. I risultati indicano la possibilità di realiz
Quantum.world Team · Scritto con l’IA · verificato ·
Il 23 ottobre, un articolo pubblicato su Nature Chemistry ha riferito il controllo coerente delle transizioni di spin in tre molecole di zirconio(III), comprese transizioni che accoppiano lo spin di un elettrone al nucleo dello zirconio-91. Gli esperimenti impiegano la risonanza paramagnetica elettronica (EPR) a impulsi per sollecitare e misurare gli spin delle molecole. I risultati rendono questi composti candidati per la realizzazione di qudit molecolari: sistemi quantistici con più di due stati controllabili.
Tre complessi di zirconio, una prova di controllo dello spin
Il gruppo ha sintetizzato tre complessi arilossido di zirconio(III), ciascuno stabilizzato da ligandi ingombranti contenenti ossigeno. I ricercatori hanno variato il sostituente in posizione para del ligando — idrogeno, tert-butile o metossi — e isolato i composti come solidi con rese dell’80–95%. I complessi restano stabili a temperatura ambiente, superando una difficoltà di lunga data: gli ioni Zr(III) possono dimerizzare o subire disproporzione.
Questa stabilità chimica, da sola, non basta a rendere utile un sistema quantistico. I ricercatori dovevano anche mostrare che gli stati di spin possono mantenere la coerenza e rispondere agli impulsi di microonde applicati. Le misure EPR a impulsi hanno registrato oscillazioni di Rabi — il moto ripetuto dello spin che segnala un’eccitazione coerente — sia su transizioni elettroniche sia su transizioni separate dall’accoppiamento con il nucleo di zirconio.
«Questo studio presenta gli arilossidi di Zr(III) come qudit molecolari competitivi e amplia la gamma degli ioni metallici includendo metalli più abbondanti sulla Terra».
Scrivono Maggie E. Mahaney e i coautori, autori dello studio.
Perché lo zirconio-91 aggiunge altri stati
L’isotopo in questione è lo zirconio-91, che costituisce l’11,2% dello zirconio presente in natura e ha spin nucleare 5/2. L’elettrone in questi complessi di Zr(III) ha spin 1/2. L’accoppiamento dei due spin dà luogo, in linea di principio, a uno spazio degli stati a 12 dimensioni, anziché ai due stati di un qubit convenzionale.
L’isotopo rappresenta una frazione minoritaria del materiale e i ricercatori indicano l’arricchimento in zirconio-91 come un passo successivo necessario per valutare appieno il potenziale dei qudit con d = 12. Negli esperimenti, il gruppo ha distinto e manipolato transizioni iperfini associate all’isotopo. Questo costituisce una prova del controllo selettivo del sistema accoppiato elettrone–nucleo, non una dimostrazione di un algoritmo quantistico o di un processore a più molecole.
Coerenza a temperature criogeniche
Le misure hanno rilevato tempi di rilassamento spin–reticolo, T1, fino a 87 millisecondi per il composto sostituito con metossi a 5 kelvin. L’articolo riporta anche la coerenza in condizioni di disaccoppiamento dinamico, una sequenza di impulsi che sopprime alcune cause della perdita di coerenza dello spin: a 3 kelvin, i valori misurati di TmCPMG hanno raggiunto rispettivamente 102, 110 e 123 microsecondi per i complessi sostituiti con idrogeno, metossi e tert-butile.
Questi valori dipendono dalle condizioni di misura e non vanno interpretati come tempi di coerenza a temperatura ambiente. Lo studio riferisce che le misure di coerenza si estendono fino a 120 kelvin, mentre i valori più elevati di rilassamento e disaccoppiamento provengono da misure a bassa temperatura. La distinzione conta per valutare come questi spin molecolari potrebbero funzionare al di là della caratterizzazione in laboratorio.
Un materiale promettente, non ancora un processore a qudit
I risultati dell’articolo uniscono sintesi chimica e controllo dello spin: i ligandi contribuiscono a stabilizzare un centro mononucleare di Zr(III), mentre il nucleo dello zirconio-91 fornisce ulteriori stati indirizzabili attraverso l’accoppiamento iperfine. I ricercatori riferiscono inoltre che l’elettrone spaiato occupa un orbitale centrato sullo zirconio con un marcato carattere s, una caratteristica rilevante per il rilassamento dello spin misurato. Il lavoro dimostra il controllo di singole transizioni molecolari, ma non stabilisce la possibilità di eseguire operazioni gate tra qudit né le prestazioni in un dispositivo di calcolo.
Per ora, la prova successiva più chiara indicata dagli autori è lo studio di composti arricchiti in zirconio-91. Ciò renderebbe più facile valutare il comportamento dipendente dall’isotopo e determinare se le transizioni eccitate selettivamente possono supportare lo spazio degli stati più ampio previsto per queste molecole.