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【原】基于“分子自旋电子学”的新技术,将给量子计算机带来新希望!

来源:用户 博科园 收藏 编辑:吕秀秀

基于量子力学的量子计算机,可能有一天会给世界带来革命性的变化,一旦我们成功地建造了一台强大的量子计算机,它将能够解决一些今天计算机需要数百万年才能计算的问题。计算机使用位(0或1)对信息进行编码,量子计算机使用“量子位”(它可以取0到1之间的任意值)赋予它们巨大的处理能力。但是量子系统是出了名的脆弱,虽然已经在为一些提议的应用构建工作机器方面取得了进展,但这项任务仍然很困难,但是一种被称为分子自旋电子学的新方法提供了新希望。

1997年理论物理学家Daniel loss和David DiVincenzo制定了创造量子计算机所需的一般规则,普通电子设备使用电荷将信息表示为0和1,而量子计算机通常使用电子“自旋”状态来表示量子位。自旋是我们通过量子力学学到的一个基本量,不幸的是,它在日常经验中缺乏准确的对应物,即使有时使用行星绕其自身轴线自转的类比。研究已经知道电子在两个不同的方向或“状态”(称为向上和向下)旋转。根据量子力学,材料中每个电子都以这些状态的组合(叠加)旋转,某一位向上,另一位向下。

这就是为什么可以得到这么多的值,而不仅仅是0或1。在由Loss和DiVincenzo开发建造量子计算机的五个要求中,包括了放大系统的可能性。更多量子位意味着更多的能量,另一种方法是使信息在编码后的合理时间内存活,而另一些方法则涉及物理系统的初始化、操作和读出。尽管最初设想是基于半导体微小颗粒中电子自旋的量子计算机,但该提议现在已经在许多物理系统中实施,包括俘获离子、超导体和钻石。但是,不幸的是,这些需要一个近乎完美的真空,极低温度和没有干扰的操作,同时也很难扩大规模。

分子自旋电子学

自旋电子学是一种基于自旋而不是电荷的电子学形式,自旋可以测量,因为它产生微小的磁场。这项技术经常使用半导体来操纵和测量自旋,已经对改善硬盘信息存储产生了巨大影响。现在,科学家们意识到自旋电子学也可以在含有碳原子环的有机分子中进行。这将它与另一个被称为分子电子学的研究领域连接起来,该领域目标是从单个分子和分子的薄膜中构建电子设备。事实证明这种组合是有用的,通过仔细控制和操纵分子中电子的自旋,实际上可以进行量子计算。

准备和读出分子上电子的自旋状态是通过用电场或磁场击打它们来完成。碳基有机分子和聚合物半导体也解决了易于扩展的标准,通过形成分子框架的能力来做到这一点,在分子框架中,分子量子比特彼此非常接近。单个分子的微小尺寸自动地倾向于将大量分子组装在一个小芯片上。此外,与其他电子材料相比,有机材料对量子自旋的干扰较小。这是因为它们由碳和氢等相对较轻的元素组成,导致与自旋电子的相互作用较弱。

这样可以避免其自旋处于容易翻转的状态,从而使其保持长达几微秒的时间。在一个螺旋桨形状的分子中,这种持续时间甚至可以长达一毫秒,这些相对较长的时间足以执行操作,也一个巨大优势。但还有很多东西需要继续探索,除了理解是什么导致有机分子的自旋寿命延长之外,对于构建高效基于自旋的电子电路来说,掌握这些自旋可以在有机电路中传播多远是必要的。上图显示了科学家们为实现这一目标而探索有机自旋电子器件的一些概念。

要使这些设备高效工作,也存在重大挑战,在有机材料中携带自旋的带电电子在运动时不断地从一个分子跳到另一个分子。不幸的是,这种跳跃活动是电噪声的来源,使得难以使用传统的体系结构来电测量小的自旋电流特征。这就是说,一种被称为自旋泵的相对较新技术可能被证明,适合于在有机材料中产生低噪声的自旋流。当试图在未来的量子技术中使有机分子成为重要的候选者时,另一个问题是能够相干地控制和测量单个分子或少数分子的自旋。这一重大挑战目前正在取得巨大进展。

例如现在在单个磁性分子上实现了一个名为“Grover搜索算法”的量子计算机简单程序。已知该算法显著减少了在未排序数据库上执行搜索所需的时间。在另一份研究报告中,一组分子成功地集成到了混合超导器件中,它提供了将分子自旋量子比特与现有量子结构相结合的概念证明。当然还有很多研究要做,但在目前状态下,分子自旋系统正在量子技术中快速找到几个新的应用。由于体积小和自旋寿命长的优势,在量子技术路线图中巩固自己的位置只是一个时间问题。

博科园|文:Deepak Venkateshvaran/The Conversation

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