據(jù)美國物理學(xué)家組織網(wǎng)3月21日報(bào)道，由英國牛津大學(xué)和曼徹斯特大學(xué)組成的聯(lián)合研究小組通過化學(xué)工程，制造出一種名為Cr7Ni的特殊分子結(jié)構(gòu)，并演示了其磁性能保持量子疊加態(tài)超過15微秒，在因退相干而失去信息之前，它們的自旋狀態(tài)可反復(fù)轉(zhuǎn)換。研究人員指出，這一成果為未來的量子計(jì)算機(jī)中用分子磁鐵作為量子比特提供了證據(jù)。相關(guān)論文發(fā)表在近期《物理評(píng)論快報(bào)》上。
分子磁鐵是一種分子，其磁矩通常按分子結(jié)構(gòu)的特殊軸線排布，因此在磁場的影響下，其電子自旋方式也會(huì)變成不止一種狀態(tài)。在低溫下，即使沒有磁場，它們也能保持這種狀態(tài)，這一特性使采用它們來存儲(chǔ)信息成為可能。
利用化學(xué)工程合成人造分子，可以作為量子比特，并使其記憶時(shí)間段大大延長。研究人員介紹說，實(shí)現(xiàn)單量子比特操作的必要時(shí)間為10納秒，根據(jù)以往對Cr7Ni分子磁鐵的研究，其相干時(shí)間大大超過了這一限制。此前的記憶時(shí)段最高記錄為3.8微秒，另外一些分子磁鐵系統(tǒng)的記憶時(shí)長也能保持在1微秒左右。
“記憶時(shí)段和相干時(shí)間是非常相似的概念。”論文合著者、牛津大學(xué)的阿章·阿達(dá)萬說，“記憶時(shí)段越長，表明在量子信息損失之前，能操控量子比特的次數(shù)越多。如果能精確控制分子結(jié)構(gòu)，找出各種退相干的機(jī)制，就能盡可能減少這些退相干因素。”
新研究中，他們找出了使分子磁鐵退相干的特殊來源（原子核自旋擴(kuò)散和光譜擴(kuò)散），研究了怎樣才能最優(yōu)化分子結(jié)構(gòu)以盡可能地延遲退相干。
他們改變了Cr7Ni分子結(jié)構(gòu)中的兩個(gè)關(guān)鍵部分（某個(gè)陽離子和配合基），并比較了它們之間的差異。他們還專門研究了在低溫條件下這些不同結(jié)構(gòu)的分子保持自旋狀態(tài)的情況，測量了它們的退相干時(shí)間。最終造出了結(jié)構(gòu)最優(yōu)化的Cr7Ni工程分子磁鐵，其保持記憶時(shí)段超過15微秒，這比操作單量子比特必要的時(shí)間高出好幾個(gè)數(shù)量級(jí)，也大大超過了以往研究的記錄。
研究人員表示，這一結(jié)果會(huì)大大提高人們操控分子磁鐵簇內(nèi)部量子態(tài)的能力，他們還將對控制方法做進(jìn)一步研究。“按照理論設(shè)想，可以通過電場來操控分子磁鐵的磁性，我們正在對此進(jìn)行檢驗(yàn)。”阿達(dá)萬說，“我們會(huì)檢驗(yàn)多種可能性。我們的同事專門研究怎樣通過化學(xué)工程方法，合并多個(gè)連接著的分子磁鐵，并把它們合成更大的分子結(jié)構(gòu)，而我們負(fù)責(zé)用這些分子開發(fā)出簡單的多量子比特算法。”(新華網(wǎng))