碳的管状纳米材料是旋转量子位的理想家园

科学家们发现，管状碳纳米材料是理想的宿主，可以使量子比特保持原位旋转，以用于量子信息技术。

科学家们正积极竞相将一个世纪以来关于量子领域的违反直觉的发现转化为未来的技术。这些技术的构建块是量子位或量子比特。几种不同的类型正在开发中，包括利用金刚石和硅对称结构中的缺陷的类型。有一天，它们可能会改变计算方式、加速药物发现、生成无法破解的网络等等。

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，发现了一种将旋转电子作为量子位引入宿主纳米材料的方法。他们的测试结果揭示了创纪录的长相干时间——这是任何实用量子位的关键属性，因为它定义了在量子位的生命周期内可以执行的量子操作的数量。

电子具有类似于陀螺自旋的特性，但有一个关键区别。当陀螺旋转到位时，它们可以向右或向左旋转。电子的行为就好像它们同时在两个方向上旋转一样。这是一种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位的良好候选者。自旋量子比特需要一种合适的材料来容纳、控制和检测它们，以及读取其中的信息。考虑到这一点，该团队选择研究一种仅由碳原子制成的纳米材料，该材料具有中空管状形状，厚度仅为约一纳米，即十亿分之一米，大约比一个物体的宽度薄 100,000 倍人的头发。

“令我们非常高兴的是，我们的化学修饰方法在碳纳米管中创造了一个非常稳定的自旋量子位。” — Jia-Shiang Chen，阿贡纳米材料中心和西北大学分子量子转导中心的化学家

“这些碳纳米管通常有几微米长，”马雪丹说。â�<“它们大多没有波动的核自旋，这些核自旋会干扰电子的自旋并减少其相干时间。”

Ma 是能源部科学办公室用户设施阿贡纳米材料中心 (CNM) 的科学家。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。

该团队面临的问题是碳纳米管本身无法在一个位置保持旋转电子。它在纳米管周围移动。过去的研究人员已经插入了相隔几纳米的电极，以将旋转的电子限制在它们之间。但这种安排体积大、成本高且难以扩大规模。

目前的团队设计了一种方法来消除对电极或其他用于限制电子的纳米级设备的需求。相反，它们以一种将旋转电子捕获到一个位置的方式化学改变碳纳米管中的原子结构。

“令我们非常满意的是，我们的化学修饰方法在碳纳米管中创造了一个非常稳定的自旋量子位，”化学家陈家祥说。Chen 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，与通过其他方式制造的系统相比，相干时间创下了历史新高——10 微秒。

考虑到它们的体积小，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，并允许以多种可能的方式读出量子信息。此外，碳管非常柔韧，它们的振动可用于存储来自量子比特的信息。

“从我们在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，但这是朝这个方向迈出的一大步，”马说。

Nature Communications报道了该团队的发现 。除 Ma 和 Chen 外，作者还包括 Matthew D. Krzyaniak 和 Michael R. Wasielewski(西北大学)、Kasidet Jing Trerayapiwat 和 Sahar Sharifzadeh(波士顿大学)、Lei Sun(西湖大学)和 Tijana Rajh(亚利桑那州立大学)。

这项工作得到了能源部基础能源科学办公室和国家科学基金会的支持。