由九州大学研究生院工学研究院的山内朗生（研究生）、田中健太郎（研究当时为研究生）、杨井伸浩副教授、九州大学理学研究院的宫田洁志副教授、神户大学分子成像科学研究中心等组成的研究团队发布研究成果称，首次在室温下成功观测到了五重态的量子相干性。研究还明确了通过将色素高密度集成到金属有机框架（MOF）中，可产生五重态，即使在室温下其量子相干性也能维持在100ns（纳秒）以上。该成果有望促进实现超高灵敏度量子传感。相关成果发表于美国科学促进会的国际学术期刊《Science Advances》1月3日号上。
图：单重态裂变模式图（供图：九州大学杨井副教授）。当1个色素分子被激发时，能量在附近的2个分子之间共享，从而生成2个三重态，在此过程中生成五重态。
量子计算和量子传感等量子技术最基本的构成要素是量子比特，利用分子中电子自旋的分子性量子比特具有能够精确控制化学结构的优点。
用光照射有机色素分子而产生的激发态包括2个电子自旋方向相反并且相互抵消的激发单重态和不相互抵消的激发三重态。
单重态裂变是1个分子的激发单重态生成2个激发三重态的现象，在此过程中会生成一种被称为五重态的特殊自旋态。因五重态有4个自旋极化（分裂能级的其中一个被自旋大量占据的状态=自旋方向一致的状态）的电子自旋，因此有望应用于比使用单一电子自旋的普通量子比特更高级的4量子比特。
此次，研究团队首次成功在室温条件下观测到了单重态裂变生成的五重态的量子相干性。
研究人员将引起单重态裂变的代表性色素并五苯的衍生物作为配体以高密度导入被称为MOF的具有刚性构造的纳米多孔材料中，将色素运动控制在最小限度，并通过脉冲电子自旋共振（ESR：通过向在磁场中根据自旋方向发生能级分裂的电子自旋照射微波来获取电子自旋信息的方法）测量，在室温下首次观测到了五重态的量子相干性。
此外，通过考虑自旋运动分子取向变化的量子模拟再现测量结果后发现，色素部分的运动性受到抑制，色素间取向变化较小的MOF的骨架晶格振动有助于五重态的生成和量子相干性的维持。
这些发现揭示了利用五重态的量子相干性时，什么样的材料设计是重要的。
杨井伸浩副教授表示：“今后，我们的目标是通过将更多样化的分子性量子比特与多孔配位聚合物相结合，实现高灵敏度和高选择性的化学量子传感。通过利用分子性材料精确的结构控制和可赋予多孔性的优点，希望能在即将到来的量子时代为材料化学发挥积极作用开辟一席之地。”
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
杂志：Science Advances
论文：Room-temperature quantum coherence of entangled multiexcitons in a metal-organic framework
DOI：10.1126/sciadv.adi3147
