科學家們在量子技術領域取得了新的突破，加州理工學院的研究人員開發出了一種利用超快激光脈沖將簡單分子轉化為量子傳感器的新方法。這一創新為在極端化學條件下研究分子相干性提供了前所未有的可能性，并為量子傳感應用的開發開辟了新的途徑。
傳統的量子技術依賴于量子比特，這些量子比特可以是分子、原子、光子或電子，并表現出疊加這一奇特的量子力學特性。疊加意味著量子比特可以同時處于多種狀態，直到進行測量時才會確定其中一種狀態。然而，疊加狀態極其脆弱，容易與周圍環境發生相互作用而導致坍縮，這是量子計算等技術面臨的主要挑戰之一。
加州理工學院的Ryan G. Hadt實驗室的研究人員在《科學》雜志上發表了一篇論文，描述了他們如何利用飛秒光脈沖（持續時間僅為十億分之幾秒）來測量室溫下分子的疊加實例。他們選擇了一種名為六氯虹酸鉀（IV）的簡單分子，即K2IrCl6，該分子具有不成對電子，是順磁性分子的一個例子。
研究人員使用了一種稱為泵浦探針極化光譜的技術。他們首先用精心選擇的飛秒激光脈沖照射K2IrCl6的水溶液樣本，這些激光脈沖具有特定的偏振方向。這一步驟將分子中的電子從一種狀態激發到更高的狀態，從而創建了電子自旋的疊加。
緊接著，在幾分之一秒后，研究人員將另一個較弱的激光脈沖穿過樣本，并觀察光的偏振方向如何變化。通過多次測量，他們能夠確定電子在弛豫回到起始狀態之前保持疊加狀態的時間。這一發現不僅為理解分子相干性提供了新的視角，還為開發量子傳感器奠定了基礎。
領導這項工作的化學博士后學者Erica Sutcliffe解釋說：“在所有分子中，電子只能處于非常特定的狀態。然而，在像K2IrCl6這樣高度對稱的順磁性分子中，這些狀態的排列方式使我們能夠有效地利用光來操縱電子自旋。”她補充說，這項技術不僅限于K2IrCl6，而是可以應用于更多類型的分子。
這些分子量子傳感器具有廣泛的潛在應用。例如，電子疊加對各種化學性質非常敏感，包括分子周圍環境的粘度或共同原子核產生的磁場。由于這種技術只使用光，并且不需要像其他方法那樣使用大型磁體或微波，因此可以在非?？斓臅r間尺度上以及小尺寸尺度上進行測量。
Sutcliffe表示，這種方法的簡單性使其具有廣泛的用途。“我們有可能使用這種技術進行顯微鏡檢查，而這種技術以前是無法獲得的。這將開啟對生物系統中以前未被充分探索的特性的研究?！痹搱F隊還提出，使用電子疊加來識別蛋白質中的單個突變也是可能的。
