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?，F(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，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。

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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！

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