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【原】基于“分子自旋電子學”的新技術,將給量子計算機帶來新希望!

來源:用戶 博科園 收藏 編輯:呂秀秀

基于量子力學的量子計算機,可能有一天會給世界帶來革命性的變化,一旦我們成功地建造了一臺強大的量子計算機,它將能夠解決一些今天計算機需要數百萬年才能計算的問題。計算機使用位(0或1)對信息進行編碼,量子計算機使用“量子位”(它可以取0到1之間的任意值)賦予它們巨大的處理能力。但是量子系統是出了名的脆弱,雖然已經在為一些提議的應用構建工作機器方面取得了進展,但這項任務仍然很困難,但是一種被稱為分子自旋電子學的新方法提供了新希望。

1997年理論物理學家Daniel loss和David DiVincenzo制定了創造量子計算機所需的一般規則,普通電子設備使用電荷將信息表示為0和1,而量子計算機通常使用電子“自旋”狀態來表示量子位。自旋是我們通過量子力學學到的一個基本量,不幸的是,它在日常經驗中缺乏準確的對應物,即使有時使用行星繞其自身軸線自轉的類比。研究已經知道電子在兩個不同的方向或“狀態”(稱為向上和向下)旋轉。根據量子力學,材料中每個電子都以這些狀態的組合(疊加)旋轉,某一位向上,另一位向下。

這就是為什么可以得到這么多的值,而不僅僅是0或1。在由Loss和DiVincenzo開發建造量子計算機的五個要求中,包括了放大系統的可能性。更多量子位意味著更多的能量,另一種方法是使信息在編碼后的合理時間內存活,而另一些方法則涉及物理系統的初始化、操作和讀出。盡管最初設想是基于半導體微小顆粒中電子自旋的量子計算機,但該提議現在已經在許多物理系統中實施,包括俘獲離子、超導體和鉆石。但是,不幸的是,這些需要一個近乎完美的真空,極低溫度和沒有干擾的操作,同時也很難擴大規模。

分子自旋電子學

自旋電子學是一種基于自旋而不是電荷的電子學形式,自旋可以測量,因為它產生微小的磁場。這項技術經常使用半導體來操縱和測量自旋,已經對改善硬盤信息存儲產生了巨大影響,F在,科學家們意識到自旋電子學也可以在含有碳原子環的有機分子中進行。這將它與另一個被稱為分子電子學的研究領域連接起來,該領域目標是從單個分子和分子的薄膜中構建電子設備。事實證明這種組合是有用的,通過仔細控制和操縱分子中電子的自旋,實際上可以進行量子計算。

準備和讀出分子上電子的自旋狀態是通過用電場或磁場擊打它們來完成。碳基有機分子和聚合物半導體也解決了易于擴展的標準,通過形成分子框架的能力來做到這一點,在分子框架中,分子量子比特彼此非常接近。單個分子的微小尺寸自動地傾向于將大量分子組裝在一個小芯片上。此外,與其他電子材料相比,有機材料對量子自旋的干擾較小。這是因為它們由碳和氫等相對較輕的元素組成,導致與自旋電子的相互作用較弱。

這樣可以避免其自旋處于容易翻轉的狀態,從而使其保持長達幾微秒的時間。在一個螺旋槳形狀的分子中,這種持續時間甚至可以長達一毫秒,這些相對較長的時間足以執行操作,也一個巨大優勢。但還有很多東西需要繼續探索,除了理解是什么導致有機分子的自旋壽命延長之外,對于構建高效基于自旋的電子電路來說,掌握這些自旋可以在有機電路中傳播多遠是必要的。上圖顯示了科學家們為實現這一目標而探索有機自旋電子器件的一些概念。

要使這些設備高效工作,也存在重大挑戰,在有機材料中攜帶自旋的帶電電子在運動時不斷地從一個分子跳到另一個分子。不幸的是,這種跳躍活動是電噪聲的來源,使得難以使用傳統的體系結構來電測量小的自旋電流特征。這就是說,一種被稱為自旋泵的相對較新技術可能被證明,適合于在有機材料中產生低噪聲的自旋流。當試圖在未來的量子技術中使有機分子成為重要的候選者時,另一個問題是能夠相干地控制和測量單個分子或少數分子的自旋。這一重大挑戰目前正在取得巨大進展。

例如現在在單個磁性分子上實現了一個名為“Grover搜索算法”的量子計算機簡單程序。已知該算法顯著減少了在未排序數據庫上執行搜索所需的時間。在另一份研究報告中,一組分子成功地集成到了混合超導器件中,它提供了將分子自旋量子比特與現有量子結構相結合的概念證明。當然還有很多研究要做,但在目前狀態下,分子自旋系統正在量子技術中快速找到幾個新的應用。由于體積小和自旋壽命長的優勢,在量子技術路線圖中鞏固自己的位置只是一個時間問題。

博科園|文:Deepak Venkateshvaran/The Conversation

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