今日，美國的一組研究人員已經(jīng)證明，通過(guò)光子發(fā)射的偏振態(tài)，可以用光學(xué)方法探測到晶體中的分子自旋狀態(tài)。使得研究小組能夠精確地讀出分子中的自旋狀態(tài)——這種能力可以設計出更靈活、更可控的量子比特。圖1｜研究量子比特技術(shù)（來(lái)源：芝加哥大學(xué)）
截至目前，事實(shí)證明最成功的量子計算基本單位是離子阱量子比特和超導量子比特。然而，這兩種技術(shù)都有明顯的缺點(diǎn)。離子阱量子比特需要高真空和電磁阱，而超導量子比特必須由相同的量子電路制成，這些量子電路很難按所需的一致性來(lái)生產(chǎn)。與其余碳晶格不同，NV中心有一個(gè)自旋，可以很容易地對其進(jìn)行操縱并用激光讀出。不幸的是，創(chuàng )建NV中心的過(guò)程，包括在將金剛石暴露于氮氣之前，對其進(jìn)行輻照，因此很難精確執行。圖2｜金剛石量子比特（來(lái)源：Physics）
芝加哥大學(xué)的凝聚態(tài)物理學(xué)家David Awschalom解釋說(shuō)，建立可擴展的固態(tài)量子系統，主要挑戰之一是將量子比特置放置于晶圓長(cháng)度的原子尺度上。Awschalom的團隊[2]與西北大學(xué)化學(xué)家Danna Freedman領(lǐng)導的研究人員合作，重點(diǎn)研究用“自下而上”的方法來(lái)創(chuàng )造一種具有適當自旋中心的晶體。他們沒(méi)有將自旋中心植入現有的晶體，而是取一個(gè)包含自旋中心的分子并使其結晶。Freedman解釋說(shuō)，人們想當然的認為，阿司匹林片劑中的每個(gè)分子都是相同的。然而，技術(shù)上的挑戰在于，沒(méi)有人能夠成功地制造出一種包含自旋的分子晶體，且該晶體可以被激光束操縱和讀取。現在，Awschalom、Freedman及其同事合成了三種不同的化合物，這些化合物包含與芳基配體配位的鉻（IV）離子。雖然在不同的激光頻率下，所得的有機金屬分子樣品都表現得很像NV中心。圖3｜Awschalom團隊（來(lái)源：芝加哥大學(xué)）
Awschalom表示，通過(guò)光學(xué)激發(fā)量子比特進(jìn)入一個(gè)狀態(tài)，該狀態(tài)迅速弛豫為亞穩態(tài)，然后發(fā)出光子。從我們的角度來(lái)看，單光脈沖最終將系統初始化為可以發(fā)出一個(gè)光子的狀態(tài)。其偏振態(tài)反映了系統的自旋，這就是量子比特自旋光子界面。這整個(gè)過(guò)程有效地創(chuàng )建了一個(gè)單分子量子比特。目前，研究人員正在研究量子比特的相干集合，但他們正在努力實(shí)現單分子的靈敏度，因為單分子量子態(tài)的相干時(shí)間更長(cháng)。研究小組希望，將一個(gè)量子比特的輸出與另一個(gè)量子比特的輸入連接起來(lái)，用此系統首先構建光量子門(mén)，然后構建量子電路。Awschalom說(shuō)，短期內，他們計劃使用集成光子學(xué)在量子比特之間建立接口。而長(cháng)期的可能性是通過(guò)化學(xué)自組裝來(lái)制造光子高速公路。他認為，想象現在現存的許多事情，如果采用了不同的技術(shù)，會(huì )十分具有挑戰性。而這種遐想是受到物質(zhì)材料的限制的。但在這里，你可以任意處置所用材料，計算和傳感都是沒(méi)有限制的。 圖4｜計算與傳感（來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )）
Freedman補充說(shuō)，總的來(lái)說(shuō)，量子信息科學(xué)是一個(gè)數十年的挑戰。有很多領(lǐng)域將受到新材料的影響，因此工作多多，樂(lè )趣多多。佛羅里達州立大學(xué)國家高磁場(chǎng)實(shí)驗室的Stephen Hill在評論這項工作時(shí)說(shuō)，分子材料作為量子計算的潛在量子比特是非常有前途的，但該領(lǐng)域目前較為落后，部分原因是一些關(guān)鍵特性尚未得到證明。而這項工作證明了這些關(guān)鍵特性之一。結果本身并不會(huì )帶來(lái)太大的驚喜，但對該領(lǐng)域而言，它在實(shí)際證明這一點(diǎn)上，取得了令人振奮的巨大進(jìn)步。這項研究發(fā)表在《科學(xué)》雜志上[3]。[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聲明：此文出于傳遞更多信息之目的。若有來(lái)源標注錯誤或侵權，請作者持權屬證明與我們聯(lián)系，我們將及時(shí)更正、刪除
