科学家们在量子技术领域取得了新的突破，加州理工学院的研究人员开发出了一种利用超快激光脉冲将简单分子转化为量子传感器的新方法。这一创新为在极端化学条件下研究分子相干性提供了前所未有的可能性，并为量子传感应用的开发开辟了新的途径。
传统的量子技术依赖于量子比特，这些量子比特可以是分子、原子、光子或电子，并表现出叠加这一奇特的量子力学特性。叠加意味着量子比特可以同时处于多种状态，直到进行测量时才会确定其中一种状态。然而，叠加状态极其脆弱，容易与周围环境发生相互作用而导致坍缩，这是量子计算等技术面临的主要挑战之一。
加州理工学院的Ryan G. Hadt实验室的研究人员在《科学》杂志上发表了一篇论文，描述了他们如何利用飞秒光脉冲（持续时间仅为十亿分之几秒）来测量室温下分子的叠加实例。他们选择了一种名为六氯虹酸钾（IV）的简单分子，即K2IrCl6，该分子具有不成对电子，是顺磁性分子的一个例子。
研究人员使用了一种称为泵浦探针极化光谱的技术。他们首先用精心选择的飞秒激光脉冲照射K2IrCl6的水溶液样本，这些激光脉冲具有特定的偏振方向。这一步骤将分子中的电子从一种状态激发到更高的状态，从而创建了电子自旋的叠加。
紧接着，在几分之一秒后，研究人员将另一个较弱的激光脉冲穿过样本，并观察光的偏振方向如何变化。通过多次测量，他们能够确定电子在弛豫回到起始状态之前保持叠加状态的时间。这一发现不仅为理解分子相干性提供了新的视角，还为开发量子传感器奠定了基础。
领导这项工作的化学博士后学者Erica Sutcliffe解释说：“在所有分子中，电子只能处于非常特定的状态。然而，在像K2IrCl6这样高度对称的顺磁性分子中，这些状态的排列方式使我们能够有效地利用光来操纵电子自旋。”她补充说，这项技术不仅限于K2IrCl6，而是可以应用于更多类型的分子。
这些分子量子传感器具有广泛的潜在应用。例如，电子叠加对各种化学性质非常敏感，包括分子周围环境的粘度或共同原子核产生的磁场。由于这种技术只使用光，并且不需要像其他方法那样使用大型磁体或微波，因此可以在非常快的时间尺度上以及小尺寸尺度上进行测量。
Sutcliffe表示，这种方法的简单性使其具有广泛的用途。“我们有可能使用这种技术进行显微镜检查，而这种技术以前是无法获得的。这将开启对生物系统中以前未被充分探索的特性的研究。”该团队还提出，使用电子叠加来识别蛋白质中的单个突变也是可能的。
