科学家已经开发出一种合成特制分子量子位元的方法。插图由西北大学Daniel Laorenza提供。由于能够驾驭量子力学的奇异力量，量子位是潜在改变世界的技术的基础——比如功能强大的新型计算机或超精确的传感器。
量子位(量子位的缩写)通常由与我们日常电子产品相同的半导体材料制成。但是，西北大学和芝加哥大学的化学家和物理学家组成的跨学科团队已经开发出一种创造定制量子位元的新方法:通过化学合成分子，将量子信息编码到它们的磁性或“自旋”状态。
这种自下而上的新方法可能最终导致具有非凡灵活性和控制力的量子系统，帮助为下一代量子技术铺平道路。
“化学合成使原子控制量子位结构成为可能，”西北大学温伯格文理学院的化学教授Danna Freedman说。“分子化学为量子信息科学创造了一个新的范式。她和她在芝加哥大学普利兹克分子工程学院的同事David Awschalom一起领导了这项研究。
研究结果发表在11月的《科学》杂志上。
“这是一个强大的、可扩展的量子技术的概念证明，”分子工程刘氏家族教授Awschalom说。“我们可以利用分子设计技术为量子信息科学创建新的原子尺度系统。把这两个领域结合在一起将会扩大人们的兴趣，并有潜力提高量子感知和计算能力。”
相关问题:化学家Danna Freedman解释了叠加和退相干，以及它们是如何使你从科学中获得最大乐趣的。
Awschalom还是Q-NEXT的主任，Q-NEXT是美国能源部成立于8月的国家量子信息科学研究中心，由Argonne国家实验室领导。弗里德曼和其他两位西北大学的教员都是这个新中心的成员。
量子位元的工作原理是利用一种称为叠加的现象。传统计算机使用的经典位要么是1要么是0，而量子位可以同时是1和0。
该团队希望找到一种新的自下而上的方法来开发自旋状态可以用作量子位元并且可以随时与外界连接的分子。为此，他们使用有机金属铬分子来创造一种可以用光和微波控制的自旋状态。
通过用精确控制的激光脉冲刺激分子并测量发出的光，它们可以在叠加后“读取”分子的自旋状态——这是在量子技术中使用它们的关键要求。
通过化学合成改变这些分子上的几个不同原子，他们还能够修改它们的光学和磁特性，这突出了量身定做分子量子位的前景。
“在过去的几十年里，半导体中的光学寻址自旋已经被证明在包括量子增强传感在内的应用中非常强大，”Awschalom说。“将这些系统的物理学转化为分子结构，打开了一个合成化学的强大工具箱，使我们才刚刚开始探索的新功能成为可能。”
“我们的研究结果开辟了合成化学的一个新领域，”弗里德曼说。“我们证明了对对称和键合的合成控制创造了量子比特，这种量子比特可以像半导体中的缺陷一样被解决。”我们自底向上的方法既能将单个单元功能化，作为目标应用的“设计量子位”，又能创建易于控制的量子态阵列，为可伸缩的量子系统提供了可能性。
这些分子的一个潜在应用可能是针对特定分子设计的量子传感器。这种传感器可以发现体内的特定细胞，检测食物何时变质，甚至发现危险的化学物质。
这种自底向上的方法也有助于将量子技术与现有的经典技术相结合。
“量子技术面临的一些挑战或许可以用这种截然不同的自下而上的方法来克服，”萨姆·贝利斯(Sam Bayliss)说，他是Awschalom小组的博士后学者，也是这篇论文的第一作者之一。“在发光二极管中使用分子系统是一个革命性的转变;也许类似的情况也会发生在分子量子位上。”
弗里德曼实验室的研究生、共同第一作者丹尼尔·劳伦萨(Daniel Laorenza)看到了这一领域化学创新的巨大潜力。他说:“这种对量子位周围环境的化学特异性控制提供了一个有价值的特性，可以将光学寻址的分子量子位集成到广泛的环境中。”
这项研究得到了海军研究办公室、国家科学基金会和能源部的支持。
这篇论文的题目是“量子信息处理的光学寻址分子自旋”。论文的其他作者包括芝加哥大学的研究生Peter Mintun和Berk Diler Kovos。
这个故事改编自芝加哥大学新闻网站上的一篇文章。
新闻旨在传播有益信息，英文原版地址：https://news.northwestern.edu/stories/2020/12/in-new-step-toward-quantum-tech-scientists-synthesize-bright-quantum-bits/