據(jù)美國物理學家組織網(wǎng)3月21日報道，由英國牛津大學和曼徹斯特大學組成的聯(lián)合研究小組通過化學工程，制造出一種名為Cr7Ni的特殊分子結構，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)可反復轉換。研究人員指出，這一成果為未來的量子計算機中用分子磁鐵作為量子比特提供了證據(jù)。相關論文發(fā)表在近期《物理評論快報》上。
分子磁鐵是一種分子，其磁矩通常按分子結構的特殊軸線排布，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信息成為可能。
利用化學工程合成人造分子，可以作為量子比特，并使其記憶時間段大大延長。研究人員介紹說，實現(xiàn)單量子比特操作的必要時間為10納秒，根據(jù)以往對Cr7Ni分子磁鐵的研究，其相干時間大大超過了這一限制。此前的記憶時段最高記錄為3.8微秒，另外一些分子磁鐵系統(tǒng)的記憶時長也能保持在1微秒左右。
“記憶時段和相干時間是非常相似的概念。”論文合著者、牛津大學的阿章·阿達萬說，“記憶時段越長，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構，找出各種退相干的機制，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（原子核自旋擴散和光譜擴散），研究了怎樣才能最優(yōu)化分子結構以盡可能地延遲退相干。
他們改變了Cr7Ni分子結構中的兩個關鍵部分（某個陽離子和配合基），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構的分子保持自旋狀態(tài)的情況，測量了它們的退相干時間。最終造出了結構最優(yōu)化的Cr7Ni工程分子磁鐵，其保持記憶時段超過15微秒，這比操作單量子比特必要的時間高出好幾個數(shù)量級，也大大超過了以往研究的記錄。
研究人員表示，這一結果會大大提高人們操控分子磁鐵簇內部量子態(tài)的能力，他們還將對控制方法做進一步研究。“按照理論設想，可以通過電場來操控分子磁鐵的磁性，我們正在對此進行檢驗。”阿達萬說，“我們會檢驗多種可能性。我們的同事專門研究怎樣通過化學工程方法，合并多個連接著的分子磁鐵，并把它們合成更大的分子結構，而我們負責用這些分子開發(fā)出簡單的多量子比特算法。”(新華網(wǎng))