基于量子力學(xué)的量子計算機(jī)，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(qiáng)大的量子計算機(jī)，它將能夠解決一些今天計算機(jī)需要數(shù)百萬年才能計算的問題。計算機(jī)使用位(0或1)對信息進(jìn)行編碼，量子計算機(jī)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(tǒng)是出了名的脆弱，雖然已經(jīng)在為一些提議的應(yīng)用構(gòu)建工作機(jī)器方面取得了進(jìn)展，但這項任務(wù)仍然很困難，但是一種被稱為分子自旋電子學(xué)的新方法提供了新希望。

1997年理論物理學(xué)家Daniel loss和David DiVincenzo制定了創(chuàng)造量子計算機(jī)所需的一般規(guī)則，普通電子設(shè)備使用電荷將信息表示為0和1，而量子計算機(jī)通常使用電子“自旋”狀態(tài)來表示量子位。自旋是我們通過量子力學(xué)學(xué)到的一個基本量，不幸的是，它在日常經(jīng)驗中缺乏準(zhǔn)確的對應(yīng)物，即使有時使用行星繞其自身軸線自轉(zhuǎn)的類比。研究已經(jīng)知道電子在兩個不同的方向或“狀態(tài)”(稱為向上和向下)旋轉(zhuǎn)。

根據(jù)量子力學(xué)，材料中每個電子都以這些狀態(tài)的組合(疊加)旋轉(zhuǎn)，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(fā)建造量子計算機(jī)的五個要求中，包括了放大系統(tǒng)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(nèi)存活，而另一些方法則涉及物理系統(tǒng)的初始化、操作和讀出。

盡管最初設(shè)想是基于半導(dǎo)體微小顆粒中電子自旋的量子計算機(jī)，但該提議現(xiàn)在已經(jīng)在許多物理系統(tǒng)中實施，包括俘獲離子、超導(dǎo)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(kuò)大規(guī)模。自旋電子學(xué)是一種基于自旋而不是電荷的電子學(xué)形式，自旋可以測量，因為它產(chǎn)生微小的磁場。

分子自旋電子學(xué)

這項技術(shù)經(jīng)常使用半導(dǎo)體來操縱和測量自旋，已經(jīng)對改善硬盤信息存儲產(chǎn)生了巨大影響。現(xiàn)在，科學(xué)家們意識到自旋電子學(xué)也可以在含有碳原子環(huán)的有機(jī)分子中進(jìn)行。這將它與另一個被稱為分子電子學(xué)的研究領(lǐng)域連接起來，該領(lǐng)域目標(biāo)是從單個分子和分子的薄膜中構(gòu)建電子設(shè)備。事實證明這種組合是有用的，通過仔細(xì)控制和操縱分子中電子的自旋，實際上可以進(jìn)行量子計算。

準(zhǔn)備和讀出分子上電子的自旋狀態(tài)是通過用電場或磁場擊打它們來完成。碳基有機(jī)分子和聚合物半導(dǎo)體也解決了易于擴(kuò)展的標(biāo)準(zhǔn)，通過形成分子框架的能力來做到這一點(diǎn)，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(jī)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(dǎo)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(zhuǎn)的狀態(tài)，從而使其保持長達(dá)幾微秒的時間。在一個螺旋槳形狀的分子中，這種持續(xù)時間甚至可以長達(dá)一毫秒，這些相對較長的時間足以執(zhí)行操作，也一個巨大優(yōu)勢。但還有很多東西需要繼續(xù)探索，除了理解是什么導(dǎo)致有機(jī)分子的自旋壽命延長之外，對于構(gòu)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(jī)電路中傳播多遠(yuǎn)是必要的。上圖顯示了科學(xué)家們?yōu)閷崿F(xiàn)這一目標(biāo)而探索有機(jī)自旋電子器件的一些概念。

要使這些設(shè)備高效工作，也存在重大挑戰(zhàn)，在有機(jī)材料中攜帶自旋的帶電電子在運(yùn)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(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)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(shù)可能被證明，適合于在有機(jī)材料中產(chǎn)生低噪聲的自旋流。當(dāng)試圖在未來的量子技術(shù)中使有機(jī)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(shù)分子的自旋。這一重大挑戰(zhàn)目前正在取得巨大進(jìn)展。

例如現(xiàn)在在單個磁性分子上實現(xiàn)了一個名為“Grover搜索算法”的量子計算機(jī)簡單程序。已知該算法顯著減少了在未排序數(shù)據(jù)庫上執(zhí)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(dǎo)器件中，它提供了將分子自旋量子比特與現(xiàn)有量子結(jié)構(gòu)相結(jié)合的概念證明。當(dāng)然還有很多研究要做，但在目前狀態(tài)下，分子自旋系統(tǒng)正在量子技術(shù)中快速找到幾個新的應(yīng)用。由于體積小和自旋壽命長的優(yōu)勢，在量子技術(shù)路線圖中鞏固自己的位置只是一個時間問題。

責(zé)任編輯：xj

原文標(biāo)題：基于量子力學(xué)的量子計算機(jī)，有一天將會給世界，帶來革命性變化！

文章出處：【微信公眾號：中科院半導(dǎo)體所】歡迎添加關(guān)注！文章轉(zhuǎn)載請注明出處。