Квантовый интерфейс размером с одну молекулу перестал быть только теоретической конструкцией и заработал на практике. Физики впервые показали на уровне отдельной органической молекулы устойчивую связь между электронным спином и светом. Такой узел позволяет хранить квантовое состояние в спине, управлять им микроволнами и считывать результат по испускаемым фотонам.
Авторы показали систему на основе карбена с триплетным основным состоянием внутри кристаллической матрицы. В центре молекулы находится атом углерода с двумя неспаренными электронами. Карбен встроили в близкий по структуре кристалл, который фиксирует молекулу и снижает электрический шум. Лазер различает состояния спина по частоте свечения, а микроволны переключают спин.
Ключевой результат связан со временем жизни квантового состояния. При температуре 4,5 К когерентность сохранялась до 2,2 мс при динамической развязке, которая подавляет воздействие окружающего шума, а время спиновой релаксации достигало 21 мс. Переключение спина занимало менее 50 нс, поэтому в доступное окно теоретически помещаются десятки тысяч операций.
Оптическая часть тоже показала параметры, пригодные для будущих связей между кубитами. Ширина основной спектральной линии составила около 38 МГц, а дрейф за час не превысил примерно 2,5 МГц. Около 19% излучения приходилось на бесфононную линию, где свет почти не теряет энергию на колебания кристалла. Стабильная частота помогает получать неразличимые фотоны от разных источников.
До сих пор похожую роль чаще поручали дефектам в алмазе и других твёрдых материалах. Такие алмазные кубиты уже позволяют быстро создавать запутанные состояния, но характеристики дефекта во многом задаёт исходный кристалл. Молекулярный подход даёт другой рычаг: химики могут менять состав кубита и затем синтезировать множество копий с одинаковой атомной структурой.
Связь спина со светом особенно важна для модульных квантовых систем, где отдельные процессоры должны обмениваться квантовой информацией. Фотоны могут соединять удалённые узлы на расстоянии без физического соседства кубитов. Похожий принцип уже проверяют в гибридных системах, где оптический квантовый канал связывает разные типы квантовой памяти через фотоны.
Результат пока не означает появления готовой квантовой сети или процессора. В эксперименте не показали запутывание двух отдельных молекулярных кубитов и не выполняли полезные многокубитные вычисления. Все измерения прошли при 4,5 К. Следующий барьер состоит в том, чтобы перенести молекулы на фотонные схемы и сохранить узкие спектральные линии, долгую когерентность и управляемость.
NVision сообщила о планах вместе с HyperLight наносить молекулярные кубиты тонким слоем на фотонные интегральные схемы. Первые прототипы компания ожидает до конца 2026 года. Работа в Nature подтверждает базовый элемент такой архитектуры на одной молекуле, однако масштабирование, межмолекулярную запутанность и работу на чипе ещё предстоит проверить экспериментально.
