高松課題組在磁性分子量子比特研究中取得重要進展

量子計算可以利用量子力學規律實現全新的計算模式，其處理大數質分解和資料庫搜索等問題的速度要遠快於傳統計算機。目前用於量子計算研究的主要體系包括光子、超冷原子、超導環、離子阱、硅基量子點、金剛石色心和拓撲體系等。利用磁性分子作為量子比特，實現量子邏輯門、量子糾纏，是量子計算新途徑的探索。磁性分子在實現量子計算中的具有精準合成可調控、獲得更大量子態空間以及化學組裝可拓展等優勢，一直以來也得到了國際同行的廣泛關注。

北京大學高松院士課題組在基於金屬富勒烯的分子量子比特領域取得兩項重要進展。相關研究成果以「Qubit crossover in the endohedral fullerene Sc3C2@C80」為題，於2017年11月02日在《化學科學》在線發表（Chem. Sci., 2018, 9, 457-462.），並以「Endohedral Metallofullerene as Molecular High Spin Qubit: Diverse Rabi Cycles in Gd2@C79N」為題，於2017年12月22日在《美國化學會志》在線發表（J. Am. Chem. Soc., 2018, 140, 1123-1130）。

北京大學化學與分子工程學院蔣尚達副研究員與中科院化學所王春儒研究員等人合作，在Sc3C2@C80分子觀測到雙重量子比特性質。低於臨界溫度140K的時候，Sc3C2@C80的最長量子相干時間能夠到達約20微秒，但是此時只能觀察到單個躍遷，也無法觀察到Rabi振蕩。而當高於臨界溫度140K至到室溫時，所有的22個躍遷都能觀測到，並且能夠實現所有的躍遷的Rabi震蕩，從而實現1024維的量子操作的希爾伯特空間。

在Sc3C2@C80分子中觀測到雙重量子比特性質

蔣尚達副研究員與施祖進教授等人合作，通過在富勒烯碳籠上引入氮原子取代，合成了雙金屬氮雜富勒烯Gd2@C79N。氮原子取代引入的自由基轉移到內部釓離子之間，並與兩個釓離子發生強的鐵磁耦合（耦合常數JGd-Rad=350±20cm-1）使體系呈現出S=15/2的高自旋基態。在5K溫度條件，電子順磁共振測試在0-6000G磁場範圍內觀測到了22個躍遷，並且具有微秒量級的量子相干時間，自旋迴波章動實驗證明了體系中多重各異性Rabi循環的存在，Rabi頻率則可由旋轉波近似的方法從22個躍遷推演計算，並且得到與實驗數據一致的結果。

高自旋磁性分子Gd2@C79N的多樣性Rabi振蕩行為

通常高自旋分子具有更為經典的自旋動力學行為，而富勒烯的籠狀結構可以很好地保護以上兩類分子中電子自旋的量子相干特性。金屬富勒烯分子量子比特同時具備較好的量子比特性質和單分子的可操作性，並能夠滿足特定的量子演算法要求，可作為分子基量子比特並應用於後續的量子計算中，此外，通過化學修飾的方法設計併合成具有光和電響應的分子，在脈衝激光和電場下用時間分辨EPR和脈衝EPR技術可以進行應激量子比特的研究和量子操作，為分子基量子比特在自旋器件的應用研究提供了新思路。

編輯：山石

責編：白楊

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！