分子自旋给量子比特新的希望

美国研究人员显示，晶体中的分子自旋状态可以通过自己发出的光子极化特性来检测。这使得团队能够精确读取分子内的自旋状态，这种能力可用于设计量子位（量子比特），这比使用其它平台具有更大的灵活性和控制力。

到目前为止，量子计算最成功的平台是捕获离子量子位和超导量子位。但是，这两种技术都有显著明显的缺点。离子捕获量子位需要高真空和电磁陷阱，而超导量子位必须由相同的量子电路组成，这些量子电路所需的一致性极难以产生。一种可能的替代方案是金刚石氮空位（NV）中心，当金刚石晶格中的两个相邻碳原子被单个氮原子取代时，这样的空位中心就产生。与其它碳晶格不同，NV中心具有自旋，它可以方便地用激光操作和读出。

不幸的是，创造 NV 中心的过程要在金刚石暴露在氮气之前对钻石进行辐照，这很难精确进行。芝加哥大学的凝聚态物理学家David Awschalom解释道：“当前构建可缩放的固态量子系统面临的主要挑战之一是，能够将你想要的量子位放在晶圆的原子尺度位置。”

自下而上的方法

Awschalom的研究小组与西北大学化学家Danna Freedman领导的研究人员合作，专注于"自下而上"的方法，即用适当的自旋中心来创建晶格，而不是将自旋中心植入到现有的晶格中。他们采用含有自旋中心的分子来结晶晶格。Freedman解释道：“我们理所当然的认为阿司匹林片中每个分子都是一样的。然而，技术挑战在于没有人能够成功生产出含有自旋的分子晶体并且可由激光束操纵和读取。”

现在，Awschalom、Freedman和他们的同事合成了三种不同的化合物，包括铬（IV）离子和与其协调的丙烯酸有机晶体。通过这种方法构造了有机金属分子样本。每个样品的行为都很像NV中心—尽管其激光频率不同。Awschalom 说：在光学上，将量子激发到一种状态，这种状态会迅速跃迁到亚稳定状态，然后发出光子。" Awschalom 说，"从我们的角度来看，光的单脉冲最终反应了系统刚开始时的状态，这个状态指的是其发射一个光子时的系统状态。因此光子的极化状态反映了系统的自旋。这就是量子位与自旋光子接口。

整个过程有效地创造了一个分子的单量子位。目前，研究人员正在研究相干的量子位组合，他们正在努力实现单分子灵敏度，因为单分子量子状态的相干时间更长。

基于光学量子的逻辑门

研究小组希望，通过将一个量子位的输出连接到另一个量子位输入中，有可能建立光学量子的逻辑门，然后利用这个系统建造量子电路。Awschalom说，在短期时间内，他们计划在量子位之间使用集成光子电路建立接口。一个更长期的计划是通过化学自组装技术来制造光子高速公路。"这开辟了一个新的领域，就是我的学生喜欢称呼的量子位设计师。"他说，“现在，我们可以想象，许多事情利用其它技术都会具有很大的挑战性，在那里你受到材料的限制。但在这里，我们实际上是在 “烹饪”新的材料，你可以结合各种内存和系统的设计使它们高度纠缠。我认为如果使用这种方案，在量子计算和量子感测领域是没有极限的。” Freedman补充说，"从广义上讲，量子信息科学是一个跨越几十年的长期挑战。新材料发现将影响一系列的领域，因此，我们需要做很多工作，中间也会有很多乐趣。

佛罗里达州立大学国家高磁场力实验室（National High Field Magnet Laboratory）的Stephen Hill在评论这一成果时表示：“分子材料应用于有希望的量子位用于量子计算的很有前途，但这一领域落后于一些更成熟的领域。部分原因是有一些关键量子特征尚未得到验证。这项工作验证了这些关键量子特征的一种。我认为结果本身并不让人感到意外，但是在这个领域令人激动的是，它在验证量子特征这一点上已经前进了一大步。”

这项研究发表在了《Science》杂志上。