碳管状纳米材料是旋转量子比特的理想家园

科学家们正在大力竞争，将一个世纪前关于量子领域的反直觉发现转化为未来的技术。这些技术中的构建块是量子比特或量子比特。几种不同的类型正在开发中，包括那些使用金刚石和硅对称结构内的缺陷。它们有朝一日可能会改变计算，加速药物发现，产生不可破解的网络等等。

美国能源部(DOE)阿贡国家实验室的科学家与几所大学的研究人员合作，发现了一种在宿主纳米材料中引入自旋电子作为量子比特的方法。他们的测试结果显示，相干时间创纪录，这是任何实际量子比特的关键属性，因为它定义了在量子比特的生命周期中可以执行的量子操作的数量。

电子具有类似于顶部自旋的性质，但有一个关键区别。当顶部旋转到位时，它们可以向右或向左旋转。电子可以表现得好像它们同时在两个方向上旋转一样。这是一个称为叠加的量子特征。同时处于两种状态使电子成为自旋量子比特的良好候选者。

自旋量子比特需要合适的材料来容纳、控制和检测它们，以及读出其中的信息。考虑到这一点，研究小组选择研究一种仅由碳原子制成的纳米材料，具有中空的管状形状，厚度仅为约一纳米或十亿分之一米，大约比人类头发的宽度薄100万倍。

“这些碳纳米管通常有几微米长，”Xuedan Ma说。“它们大多没有波动的核自旋，这些自旋会干扰电子的自旋并减少其相干时间。

马是阿贡纳米材料中心(CNM)的科学家，该中心是美国能源部科学办公室的用户设施。她还在芝加哥大学普利兹克分子工程学院和西北大学西北阿贡科学与工程学院任职。

研究小组面临的问题是碳纳米管本身不能在一个位点维持一个旋转的电子。它围绕纳米管移动。过去的研究人员将电极插入纳米间隔，以限制它们之间的旋转电子。但这种安排体积庞大、昂贵且难以扩大规模。

目前的团队设计了一种消除电极或其他纳米级器件来限制电子的需要的方法。相反，它们化学改变碳纳米管中的原子结构，将旋转的电子捕获到一个位置。

“令我们欣慰的是，我们的化学修饰方法在碳纳米管中创造了一个令人难以置信的稳定自旋量子比特，”化学家Jia-Shiang Chen说。陈是CNM的成员，也是西北大学分子量子转导中心的博士后学者。

该团队的测试结果显示，与其他方式制造的系统相比，相干时间创纪录 - 10微秒。

鉴于它们的体积小，该团队的自旋量子比特平台可以更容易地集成到量子设备中，并允许许多可能的方式来读取量子信息。此外，碳管非常灵活，它们的振动可用于存储来自量子比特的信息。

“从碳纳米管中的自旋量子比特到实用技术还有很长的路要走，但这是朝着这个方向迈出的一大步，”马说。

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