今日,美国的一组研究人员已经证明,通过光子发射的偏振态,可以用光学方法探测到晶体中的分子自旋状态。

使得研究小组能够精确地读出分子中的自旋状态——这种能力可以设计出更灵活、更可控的量子比特。

分子自旋有望成为量子比特-量子客
图1|研究量子比特技术(来源:芝加哥大学)

截至目前,事实证明最成功的量子计算基本单位是离子阱量子比特和超导量子比特。

然而,这两种技术都有明显的缺点。离子阱量子比特需要高真空和电磁阱,而超导量子比特必须由相同的量子电路制成,这些量子电路很难按所需的一致性来生产。

一种可能的替代方法是金刚石氮空位(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,就会出现该中心。

与其余碳晶格不同,NV中心有一个自旋,可以很容易地对其进行操纵并用激光读出。

不幸的是,创建NV中心的过程,包括在将金刚石暴露于氮气之前,对其进行辐照,因此很难精确执行。

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图2|金刚石量子比特(来源:Physics)

芝加哥大学的凝聚态物理学家David Awschalom解释说,建立可扩展的固态量子系统,主要挑战之一是将量子比特置放置于晶圆长度的原子尺度上。

 

“自下而上”的方法

Awschalom的团队[2]与西北大学化学家Danna Freedman领导的研究人员合作,重点研究用“自下而上”的方法来创造一种具有适当自旋中心的晶体。

他们没有将自旋中心植入现有的晶体,而是取一个包含自旋中心的分子并使其结晶。

Freedman解释说,人们想当然的认为,阿司匹林片剂中的每个分子都是相同的。然而,技术上的挑战在于,没有人能够成功地制造出一种包含自旋的分子晶体,且该晶体可以被激光束操纵和读取。

现在,Awschalom、Freedman及其同事合成了三种不同的化合物,这些化合物包含与芳基配体配位的铬(IV)离子。虽然在不同的激光频率下,所得的有机金属分子样品都表现得很像NV中心。

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图3|Awschalom团队(来源:芝加哥大学)

Awschalom表示,通过光学激发量子比特进入一个状态,该状态迅速弛豫为亚稳态,然后发出光子。

从我们的角度来看,单光脉冲最终将系统初始化为可以发出一个光子的状态。其偏振态反映了系统的自旋,这就是量子比特自旋光子界面。

这整个过程有效地创建了一个单分子量子比特。目前,研究人员正在研究量子比特的相干集合,但他们正在努力实现单分子的灵敏度,因为单分子量子态的相干时间更长。

 

光学量子门

研究小组希望,将一个量子比特的输出与另一个量子比特的输入连接起来,用此系统首先构建光量子门,然后构建量子电路。

Awschalom说,短期内,他们计划使用集成光子学在量子比特之间建立接口。而长期的可能性是通过化学自组装来制造光子高速公路。

他认为,想象现在现存的许多事情,如果采用了不同的技术,会十分具有挑战性。而这种遐想是受到物质材料的限制的。但在这里,你可以任意处置所用材料,计算和传感都是没有限制的。

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图4|计算与传感(来源:网络)

Freedman补充说,总的来说,量子信息科学是一个数十年的挑战。有很多领域将受到新材料的影响,因此工作多多,乐趣多多。

佛罗里达州立大学国家高磁场实验室的Stephen Hill在评论这项工作时说,分子材料作为量子计算的潜在量子比特是非常有前途的,但该领域目前较为落后,部分原因是一些关键特性尚未得到证明。

而这项工作证明了这些关键特性之一。结果本身并不会带来太大的惊喜,但对该领域而言,它在实际证明这一点上,取得了令人振奋的巨大进步。

这项研究发表在《科学》杂志上[3]。

 

 

参考链接:

[1]https://physicsworld.com/a/molecular-spins-show-promise-as-quantum-bits/

[2]https://pme.uchicago.edu/group/awschalom-group

[3]https://science.sciencemag.org/content/early/2020/11/11/science.abb9352/tab-article-info

 

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|编  辑:王嘉雯      |审  校:Xinwen Wang