量子传感是一种利用量子比特的量子力学传感技术，与既往传感技术相比，预计可实现更高灵敏度和分辨率的传感。在此领域中，由于分子结构的高度自由度和均一性，利用分子中的电子自旋作为量子比特的技术正在积极推进之中。然而，大多数针对使用分子量子比特的研究都仅限于极低温条件，且利用量子比特进行化学物质传感的策略很少，仅限于有限的化学物质。
图：研究模式图。通过在MOF（金属有机框架）中引入分子性三重态量子比特，并测量吸附客体时量子叠加态保持时间（T₂）的变化。（供图：东京大学）
九州大学研究生院工学研究院的研究生山内朗生、副教授杨井伸浩（现东京大学研究生院理学系研究科教授）等的研究团队，与分子科学研究所机器中心的主任技术员浅田瑞枝、团队负责人中村敏和、名古屋大学研究生院工学研究科的特任助教Pirillo Jenny及该校未来社会创造机构脱碳社会创造中心的特任副教授土方优等合作，提出了一种可以在室温下识别多种分子的量子传感方法。相关成果已发表于《Nature Communications》。
本次研究提出了一种在室温下识别多种分子的量子传感方法。利用了可在室温下使用的分子量子比特——光激发三重态电子自旋和被称为金属有机框架（MOF）的纳米多孔材料。
使用MOF在室温下进行量子传感的先例已有报告，但在此前的报告中，通常使用的是非自旋极化的普通电子自旋，且可检测的化学物质也仅限于特定离子。
与此相对，研究聚焦于通过光照射产生的有机分子三重态中发生的自旋极化电子自旋。通过将其引入能够根据客体分子特异性灵活改变结构的MOF中，成功实现了高自旋极化率与对多种客体分子响应能力的兼顾。
当将各种客体引入MOF并使用脉冲电子自旋共振（ESR）测量量子叠加态的保留时间（T2）时，引入的每种客体均获得了不同的T2。通常，引入客体时，由于量子比特周围的环境中会产生客体衍生的噪声，因此T2往往会缩短。
此次研究发现，多个客体分子的引入使T₂时间相较于引入前有所延长，尤其是某些客体T₂时间可达到约1微秒左右，这在室温下一个非常长的T₂时间。
为解明这种现象，研究团队研究了客体分子在MOF细孔内占据的体积比，发现体积占比越高，T2越长。通过分子动力学计算模拟量子比特运动的结果表明，在体积占比较高的情况下，量子比特的运动受到抑制，从而导致丧失量子叠加态的运动受到抑制，因此T2得以延长。
这项研究表明，控制量子比特的运动性是实现室温量子传感的重要因素。此外，长时间保持量子叠加状态不仅对量子传感至关重要，对于整个量子技术领域也是关键。这次获得的成果被认为是在使用分子量子比特的量子技术中向前迈出的重要一步。
未来，预期可以通过排列多个由不同MOF和三重态量子比特组成的系统，并基于它们的响应来识别化学物质，从而实现化学量子传感的应用。
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Nature Communications
论文：Modulation of triplet quantum coherence by guest-induced structural changes in a flexible metal-organic framework
URL：https://www.nature.com/articles/s41467-024-51715-w
