研究小组制造出人造分子磁铁可延长量子比特寿命

据美国物理学家组织网近日报道，由英国牛津大学和曼彻斯特大学组成的联合研究小组通过化学工程，制造出一种名为Cr7Ni的特殊分子结构，并演示了其磁性能保持量子叠加态超过15微秒，在因退相干而失去信息之前，它们的自旋状态可反复转换。研究人员指出，这一成果为未来的量子计算机中用分子磁铁作为量子比特提供了证据。相关论文发表在近期《物理评论快报》上。

分子磁铁是一种分子，其磁矩通常按分子结构的特殊轴线排布，因此在磁场的影响下，其电子自旋方式也会变成不止一种状态。在低温下，即使没有磁场，它们也能保持这种状态，这一特性使采用它们来存储信息成为可能。

利用化学工程合成 人造分子，可以作为量子比特，并使其记忆时间段大大延长。研究人员介绍说，实现单量子比特操作的必要时间为10纳秒，根据以往对Cr7Ni分子磁铁的研究，其相干时间大大超过了这一限制。此前的记忆时段最高记录为3.8微秒，另外一些分子磁铁系统的记忆时长也能保持在1微秒左右。

 “记忆时段和相干时间是非常相似的概念。”论文合著者、牛津大学的阿章·阿达万说，“记忆时段越长，表明在量子信息损失之前，能操控量子比特的次数越多。如果能精确控制分子结构，找出各种退相干的机制，就能尽可能减少这些退相干因素。”

新研究中，他们找出了使分子磁铁退相干的特殊来源（原子核自旋扩散和光谱扩散），研究了怎样才能最优化分子结构以尽可能地延迟退相干。

他们改变了Cr7Ni分子结构中的两个关键部分（某个阳离子和配合基），并比较了它们之间的差异。他们还专门研究了在低温条件下这些不同结构的分子保持自旋状态的情况，测量了它们的退相干时间。最终造出了结构最优化的Cr7Ni工程分子磁铁，其保持记忆时段超过15微秒，这比操作单量子比特必要的时间高出好几个数量级，也大大超过了以往研究的记录。

研究人员表示，这一结果会大大提高人们操控分子磁铁簇内部量子态的能力，他们还将对控制方法做进一步研究。“按照理论设想，可以通过电场来操控分子磁铁的磁性，我们正在对此进行检验。”阿达万说，“我们会检验多种可能性。我们的同事专门研究怎样通过化学工程方法，合并多个连接着的分子磁铁，并把它们合成更大的分子结构，而我们负责用这些分子开发出简单的多量子比特算法。”