由电子开关控制的量子比特通信

意大利的一个多学科科学家团队设计了一种快速开关、高度相干的分子双量子比特门，将核自旋和电子自旋结合起来，用于量子逻辑运算。¹

量子信息处理利用量子现象，如量子叠加和纠缠，来编码信息。量子比特或量子位是量子信息处理的基石，就像当前计算机的经典“比特”一样。与比特一样，量子位也携带信息，但与比特不同的是，量子位可以同时以多种状态存在——称为叠加态。这允许更快更复杂的信息处理。问题是保持这种状态很难。来自外部环境的噪声，甚至来自分子内部的晶格振动，都可能导致退相干，以及量子比特所携带信息的不可逆破坏。量子比特维持这种量子叠加态(相干性)的时间取决于所使用的材料或分子及其环境。较低的温度可以降低噪声，所以目前的量子计算机在接近绝对零度的温度下运行。

实用量子计算的另一个障碍是用多个量子比特构建“门”。这就是纠缠起作用的地方。当量子位相互作用时，它们会纠缠在一起，这意味着它们的状态必须相对于彼此描述。实验人员利用这一点来完成量子逻辑运算。不幸的是，一旦一个量子比特与另一个纠缠在一起，通常很难或不可能逆转这种耦合。

分子自旋量子比特是一种特殊类型的量子比特，其中分子的自旋特性携带信息。这不是电子自旋就是核自旋。以前的研究主要集中在使用电子自旋，然而这将导致永久的量子位-量子位相互作用，并且需要复杂的误差修正。核自旋与周围环境更加隔绝，因此相干时间更长。然而，它们可能导致弱而持久的相互作用，使栅极变慢。

由实验化学家和理论物理学家组成的团队罗伯塔Sessoli而且马特奥Atzori来自佛罗伦萨大学(University of Florence)斯特凡诺Carretta来自帕尔马大学(University of Parma)的他想证明，通过精心设计，相对简单的磁性分子可以作为量子模拟的平台。他们解释说:“现在有很多关于分子量子比特系统相干时间的研究，结果令人印象深刻。”“然而，最大的挑战是将它们连接在一个定义良好的多量子比特架构中，这样它们就可以被连贯地操纵。”斯蒂芬·巴内特来自英国格拉斯哥大学的理论物理学家，在量子信息方面具有专业知识，他同意:“控制量子自旋或量子位之间的相干相互作用的能力是释放量子信息处理潜力的关键技术要求。”

在他们之前描述了具有长松弛时间的钒基量子比特的工作的基础上，²该小组希望构建一个由两个弱相互作用的分子系统d这种金属离子可以很容易地用电磁脉冲控制。为了做到这一点，他们使用双酚-儿茶酚配体连接两个量子位。这些配体允许对量子位-量子位距离进行微调，从而实现磁相互作用。该架构旨在同时利用“核自旋的长相干时间和电子自旋的快速可控动力学”。研究小组惊讶地发现，分子表现出1µs的相干时间，在高达100K(-173.15°C)的温度下几乎没有变化。研究小组表示，这一结果表明，“量子比特和连接单元的分子设计是保持所观察到的长自旋相干性的关键。”

该团队继续在单量子比特门和双量子比特门中测试他们的架构。他们使用电子“开关”在单量子比特门中分别编码每个量子比特，但也使用受控相移双量子比特门诱导可逆纠缠。使用均匀电子顺磁共振脉冲，他们能够将量子位之间的相互作用“打开”和“关闭”，而不像典型的NMR方案的永久相互作用。

他们将该系统应用于一个原理证明实验，使用量子模拟自旋S=1经历量子隧道的时间演化。为了实现这一点，他们将时间演化分解为小的时间步长，并用一系列门来计算每个时间步长。

Barnett将在单个分子中耦合量子比特的想法描述为“有趣且最受欢迎”，并表示挑战将是看看这个新想法是否可以扩展到更大数量的量子比特。