实验室马东阁教授团队：用于有机无定形固体量子信息处理的室温长相干五重态量子比特

在量子信息科学领域，高自旋态被认为是可替代的物理实体。几乎无限的有机分子候选者为打开室温量子操纵的大门留下了巨大的机会。以五重态为例的有机高自旋态可以作为实现量子信息的多量子比特，然而通过单重态裂变产生的五重态需要在严格条件下才能观察到，在室温下实现五重态的长量子相干性仍具有挑战性。

近日，华南理工大学发光材料与器件全国重点实验室的马东阁教授课题组利用电子顺磁共振（EPR）测量无定形固体状态的TIPS-Pn/TNB，得到了长相干的电子五重态，有望拓展量子信息科学领域的应用。

自旋电子与邻近电子的自旋相互作用对于调控多自旋量子比特是必要的，但同时也会导致更短的退相干时间，这是自旋操控的瓶颈。有机分子具有长相干性的特点，并且其结构具有无限的可能性，这些优点有利于实现室温量子操纵。有机固体中的单线态裂变（SF）已被证明可产生亚稳态的高电子自旋态，SF是一个独特的双发色团过程，一个激发的单线态（S1）与相邻的基态（S0）共享能量，最终产生两个低能量的三线态激子（T）。在SF的中间过程中，S1与S0共享能量后产生多激子1TT，随后1TT可以通过自旋演化转换5TT和3TT。在实验上，已经通过瞬态电子顺磁共振（TREPR）和瞬态吸收技术观测到了5TT。因此利用5TT实现量子门操作是可行的，然而目前5TT仍存在相干时间过短的问题。在工作中，我们通过一种简单的共熔法制备出不定形态的TIPS-Pn/TNB固体，讨论了自旋相干时间的浓度依赖性，最终优化出2wt%的掺杂浓度，其室温下量子相干时间为505s，可在12ns的微波脉冲下进行54次的量子门操作，如图1所示。

相关研究成果以“Room-TemperatureLong-Coherence Quintet Qudit for Quantum Information Processing in OrganicAmorphous Solids”为题发表在Advanced Quantum Technologies上，其中通讯作者为马东阁教授和乔现锋副研究员，第一作者为吴加明硕士研究生。该研究工作得到了国家自然科学基金、广东省自然科学基金等科研项目的资助。

原文链接：https://doi.org/10.1002/qute.202500369