这种新型室温量子位如何引领量子计算的下一阶段？

该量子位实现了 100 纳秒的量子相干性，专家称其为量子计算研究中的“重要里程碑”。

科学家们已经构建了一种量子位，可以在室温下实现“量子相干性”——这通常只有在接近绝对零的温度下才有可能实现。

为了实现量子相干性（一种可以观察到量子力学的奇怪定律的稳定状态），量子位通常必须冷却至负 459 华氏度（负 273 摄氏度），否则它们会屈服于干扰和失败，这称为退相干。

为了解决这个问题，新的量子位使用了基于并五苯的发色团——一种吸收光并发出颜色的染料分子——嵌入到新的金属有机框架（MOF）中。科学家们在 1 月 3 日发表在《科学进展》杂志上的一篇新论文中表示，它的特性意味着科学家可以在室温下短暂观察量子相干性。

经典计算机以位为单位编码数据（表示为 1 或 0），而量子计算机则使用量子位，量子位可以表示为 1 和 0 的叠加，这意味着在物理观察之前它可以同时处于两种状态。 

相关：世界上第一个石墨烯半导体可以为未来的量子计算机提供动力

大多数物理量子位会在电子的自旋向上和自旋向下位置之间产生叠加——两种二元态，表现为 1 和 0。它们通常是一条金属线或一个微小的环，表现为原子。据《科学美国人》报道，谷歌在其量子位中使用铝，而 IBM 使用铝和铌的混合物。

通过电子自旋编码信息的多个量子位也可以通过量子纠缠连接起来——当两个或多个粒子的状态相连时——这意味着纠缠的量子位可以同时存在于多种状态。如果使用足够的量子位来构建，这就是量子计算机可能比经典计算机强大得多的原因。 

新型量子位的工作原理

发色团中的电子可以通过称为单线态裂变的过程被激发，在该过程中它们吸收光并改变其自旋态。科学家在论文中写道，过去，研究人员利用单线态裂变在量子位中产生叠加，但他们只能在低于负 324 华氏度（负 198 摄氏度）的温度下实现这一点。 

在这项新研究中，科学家们使用了基于并五苯碳氢化合物的发色团，其中碳和氢的五角环连接在一起。为了在更高的温度下实现相同的量子态，研究人员将发色团分子捕获在 MOF 中——MOF 是一种由金属离子组成并与有机分子结合的独特晶体材料。 

MOF 几乎完全限制了染料分子的运动，有助于使任何激发的电子保持纠缠状态。然后，科学家们将发色团中的电子暴露在微波脉冲下，通过单线态裂变激发它们。该研究的主要作者、九州大学化学副教授Nobuhiro Yanai在一篇文章中表示，晶体结构中的微小孔（称为纳米孔）使电子能够以微小且特定的角度旋转。 u>声明。 

这种轻微的旋转使受激电子能够从处于激发“三重态”的两对电子（其中来自不同分子轨道的电子具有平行自旋）转变为一组处于不太稳定的“五重态”的四个电子，其中电子自旋是反平行的——这意味着它们是平行的，但朝相反的方向移动。在这个五重态中，量子力学定律占主导地位。

在此过程之后，研究人员在室温下观察了这四个五重态电子的量子相干性超过 100 纳秒（一纳秒是十亿分之一秒）。

追求室温量子计算机

研究合著者、神户大学化学教授小堀康宏在声明中表示，这是首次实现纠缠五重态电子的室温量子相干性。 

柳井在声明中表示，在后续工作中，该团队希望通过添加其他“客体”分子来进一步限制电子运动，或者通过研究 MOF 的底层结构来创建更稳定的量子位。

虽然这项新研究不太可能在可预见的未来实现室温量子计算，但这一突破增加了构建可在室温下实现量子相干的量子位的工作量。牛津大学量子信息科学教授 Vlatko Vedral 告诉 Live Science，事实上，在室温下产生稳定的量子位一直是人们的希望。  

他说，这种室温计算将避免纠错的需要。这是因为要在室温下工作，量子位在设计上需要承受破坏力，从而使其不稳定并容易退相干。

“在这篇论文中，确实报道了长自旋相干时间，这是一个重大进步，”他说。 “然而，我不确定扩大规模有多容易，特别是控制量子位之间的相互作用有多容易。在我看来，这将是瓶颈，因为具有长相干时间的孤立量子位不是对量子计算有很大用处。”  换句话说，要制造一台强大的计算机，需要许多量子位来执行计算。 

尽管对这一具体发现的实用性表示怀疑，但维德拉尔仍将其誉为“一个重要的里程碑”，并补充说，从长远来看，这项研究比开发执行量子纠错的方法更有前途。