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研究者將分子磁鐵設計成長效 qubits

今日某些物理學家正在研究將分子磁鐵(molecular magnets)當成未來量子電腦之資訊儲存單元使用的可能性。就分子結構來說,分子磁鐵是那些磁矩偏好朝特定軸向排列的分子。其所擁有的電子自旋結構可經由磁力調整出一種以上的狀態,且在低溫時,即使在缺乏磁場的情況下,依然可維持這種狀態,這可能使它們被用於資訊儲存上。

現在一個來自英國的研究團隊已證明,在不同的磁性狀態間,量子力學相位的疊加可持續超過 15 微秒,使其自旋態因解同調(decoherence,走調)而失去其資訊前,能反覆切換。在分子磁鐵作為 qubits(量子位元,量子電腦的元件)的實用性上,這項發現為其平添佐證。

來自牛津大學與曼徹斯特大學的研究者,C.J. Wedge 等人,已將他們「如何利用化學方法修改分子 qubits 以增加其相位記憶時間」的研究發表在最近一期的 Physical Review Letters 上。在這之前,研究者已達成 3.8 微秒的相位記憶時間(phase memory times),而其他分子磁鐵系統研究所產生的(記憶)時間都在 1 微秒的時間尺度上。

“相位記憶時間與同調時間是非常類似的概念," 牛津大學的共同作者 Arzhang Ardavan 表示。"(長相位記憶時間)意味著,當量子資訊消失前,有可能操縱 qubit 許多次。那意義重大,但我們亦樂見能精確控制分子結構的可行性,以及能測定各種解同調機制,並盡我們所能來減少它們。"

在他們的研究中,研究者聚焦在 Cr7Ni 分子磁鐵上。他們之前證明這種分子所擁有的同調時間遠超過操縱單一 qubit 所需要的 10 奈秒。在此,他們採取下一步驟並研究分子磁鐵解同調(原子核自旋擴散 (nuclear spin diffusion) 與頻譜擴散 (spectral diffusion))的特定來源,以及如何優化結構以便盡可能地延緩解同調。

為了辦到這件事,研究者改變二種關鍵要素(某些陽離子與配位基),藉此比較不同的 Cr7Ni 結構。他們特別研究,在低溫下不同的結構維持其自旋態的能力有多好,那以結構的相位–同調性鬆弛時間(phase-coherence relaxation time)來測定。研究者發現,優化修改過的 Cr7Ni 分子磁鐵能有超過 15 微秒的相位記憶時間,那比操縱單一 qubit 所需要的時間多了幾個數量級,而且明顯比先前的證明還要更長。

研究者預測,這些結果將導致在分子磁鐵簇內操控量子態的能力。他們計畫在未來更進一步研究操縱分子磁鐵的方法。

“我們將驗證各種可能性," Ardavan 說。"我們研究這些分子之化學性質的同僚能夠合成合併數個耦合分子磁鐵的結構。我們將利用這類分子來研究簡單的多 qubit(multi-qubit)演算法。"

“最近,有人在理論上提出,電場能用來操縱分子磁鐵的磁性狀態," 他補充道。"我們正透過實驗來驗證這些可能性。"

原始文獻:C. J. Wedge, G. A. Timco, E. T. Spielberg, R. E. George,
F. Tuna, S. Rigby, E. J. L. McInnes, R. E. P. Winpenny,
S. J. Blundell, and A. Ardavan.
Phys. Rev. Lett. 108, 107204 (2012) [5 pages]
doi: 10.1103/PhysRevLett.108.107204

資料來源:PHYSORG:Researchers engineer molecular magnets to act as long-lived qubits[March 21, 2012]

轉載自only-perception

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