Prva kvantna revolucija koja se dogodila u prvoj polovici 20. stoljeća iznjedrila je lasere, tranzistore, oslikavanje magnetskom rezonancijom, GPS te druge tehnike zasnovane na primjeni kvantne fizike u mikroskopskim sustavima. Početak 21. stoljeća donio je drugu kvantnu revoluciju zahvaljujući kojoj je moguće upravljati individualnim kvantnim objektima poput elektrona, fotona ili atoma.

Nove kvantne tehnologije poput kvantnih računala, kvantnih simulatora i kvantnih komunikacija izazivaju veliki interes u znanosti i industriji, ali da bi ove tehnologije ostvarile punu primjenu potrebno je dodatno razumijevanje i upravljanje kvantnim pojavama poput superpozicije stanja te kvantne prepletenosti ili sprezanja (entanglement), a za što je dodijeljena Nobelova nagrada za fiziku 2022. godine.

Molekulski spinski kvantni bitovi

Kvantna računala mogu obavljati više operacija istovremeno što ih čini izuzetno moćnima za rješavanja složenih matematičkih problema, simuliranja ponašanja molekula pri izradi novih lijekova ili razvoja novih materijala s nevjerojatnim svojstvima. U osnovi kvantnih računala su kvantni bitovi ili qubiti. Problem je što su određena svojstva qubita  vrlo  osjetljiva na vanjske utjecaje, što otežava njihovo korištenje u dugim izračunima.

''Znanstvenicima je teško stvoriti funkcionalne qubite u stvarnom svijetu, mjeriti njihova svojstva te upravljati njima. Danas se do željene realizacije qubita pokušava doći različitim putevima. Jedan od obećavajućih puteva prema daljnjem razvoju kvantnih informacijskih tehnologija su elektronski spinovi u molekulskim magnetskim spojevima u kojima spin potječe od prijelaznih metala, lantanida ili organskih radikala,'' objašnjava dr. sc. Dijana Žilić, dopisna autorica na radu.  

Prednost molekulskih spinskih qubita u odnosu na druge opcije je što se ovi qubiti mogu dobiti kemijskim molekulskim dizajnom, počevši od ciljane sinteze kao i naknadnom kemijskom modifikacijom. Druga prednost ovakvog pristupa je jednostavno upravljanje elektronskim kvantnim stanjima primjenjujući elektromagnetsko zračenje. Idealna eksperimentalna tehnika je dobro poznata elektronska paramagnetska ili spinska rezonancija (EPR/ESR) koja se pokazala korisnom i u drugim područjima fizike čvrstog stanja, kemiji te biologiji. Naime, impulsne tehnike ESR spektroskopije omogućuju direktno mjerenje relaksacijskih vremena. Dulja relaksacijska vremena pokazatelj su dulje koherencije što je važan kriterij uspješnosti realizacije nekog qubita.

Interdisciplinarna suradnja koja pomiče granice

S obzirom da je jedan od preduvjeta za produljenje koherencije prostorno razdvajanje qubita, nova obećavajuća vrsta materijala su koordinacijske mreže, u kojima se qubiti smještaju na određena mjesta u mreži, čime se postiže njihovo prostorno uređenje i separacija. Metalo-organske mreže, skraćeno MOF, su materijali koji su posebno zanimljivi u ovom kontekstu. Ovo istraživanje je plod multidisciplinarne suradnje znanstvenika iz Laboratorija za održivu i primijenjenu kemiju te Laboratorija za magnetske rezonancije IRB-a, koja je započela još prije nekoliko godina.

Dr. sc. Bahar Karadeniz i dr. sc. Krunoslav Užarević iz Laboratorija za održivu i primijenjenu kemiju sintetizirali su molekulske spinske qubite kroz složeni mehanokemijski postupak ugradnje razrijeđenih bakrovih porfirina u strukturu MOF-a. Zahvaljujući suradnji u sklopu MZO-DAAD projekta, naš tim s IRB-a je udružio snage s dr. sc. Alexeyom Popovom, voditeljem fulerenske grupe na Leibniz Institute for Solid State and Materials Research Dresden (IFW) te su dodatnom ugradnjom fulerena postigli željeno produljenje koherencije ovih qubita.

Mehanokemijska ugradnja fulerena u metalo-organske mreže dovodi do povećanja koherencije molekulskih spinskih kvantnih bitova

Znanstvenice iz Laboratorija za magnetske rezonancije (LMR) prof. dr. sc. Marina Ilakovac Kveder, dr. sc. Dijana Žilić te mag. Lucija Vujević, napravile su zahtjevne eksperimente impulsne spektroskopije na ovim materijalima zahvaljujući tomu što IRB, pored standardne ESR kontinuirane spektroskopije, ima i vrhunska ESR impulsnu tehnologiju. Pored mjerenja relaksacijskih vremena qubita, znanstvenici su napravili i HYSCORE eksperimente koji su otkrili dodatne informacije o utjecaju susjednih jezgri na spinsku dinamiku, kao i Rabijeve oscilacije. Osim eksperimenata, tim LMR-a je i izračunao procese koji doprinose relaksaciji te je i teorijski objasnio na koji način ugradnja fulerena u metalo-organsku mrežu dovodi do povećanja relaksacijskih vremena  istraživanih qubita.

Rezultati istraživanja potvrdili su mogućnost koherentne manipulacije stanjima ovih molekulskih spinskih qubita, što znači da smo korak bliže razumijevanju i kontroliranju materijala potrebnih za izgradnju kvantnih tehnologija.

''Drago nam je da je ovaj lijepi rad priveden kraju. Posebno je s time sretna asistentica Lucija Vujević iz LMR-a jer on predstavlja prvi dio njenog doktorskog istraživanja. Nastavak istraživanja novih molekulskih spinskih qubita s poboljšanim svojstvima je u tijeku. Zahvaljujemo se na suradnji kolegama iz Njemačke dr. sc. Alexeyu Popovu i dr. sc. Stanislavu Avdoshenku, doc. dr. sc. Nikoli Cindri s PMF-a u Zagrebu te kolegama dr. sc. Andražu Krajncu, dr. sc. Matjažu Mazaju i prof. dr. sc. Gregoru Malom s Kemijskog instituta u Ljubljani. Neizmjerno nam je žao što se višegodišnja odlična suradnja s kolegom Gregorom iznenada završila zbog njegove prerane smrti'' zaključila je Dijana Žilić, jedna od dopisnih autora na radu.

Istraživanje je financirano kroz potpore: HRZZ (IP-2018-01-3168); njemačko (DAAD)-hrvatski (MZO) bilateralni projekt: "New generation of magnetic MOF composites based on controllable confinement of selected endofullerenes"; HRZZ program “Research Cooperability” koji financira EU iz Europskog socijanog fonda (PZS-2019-02-4129), Slovenian Research Agency (P1-0021) i Deutsche Forschungsgemeinschaft (PO 1602/6-1 i 1602/11-1).