Molekylær spintronik:Ny teknologi giver håb for kvanteberegning

kvantecomputere, som arbejder efter kvantemekanikkens mærkelige regler, kan en dag revolutionere verden. Når vi har formået at bygge en kraftfuld arbejdsmaskine, det vil være i stand til at løse nogle problemer, som det tager nutidens computere millioner af år at beregne.

Computere bruger bits (nul eller én) til at kode information. Kvantecomputere bruger "qubits" - som kan tage en hvilken som helst værdi mellem nul og én - hvilket giver dem enorm processorkraft. Men kvantesystemer er notorisk skrøbelige, og selvom der er gjort fremskridt med at bygge arbejdsmaskiner til nogle foreslåede anvendelser, opgaven er fortsat vanskelig. Men en ny tilgang, døbt molekylær spintronik, giver nyt håb.

I 1997, teoretiske fysikere Daniel Loss og David DiVincenzo fastsatte de generelle regler, der er nødvendige for at skabe en kvantecomputer. Mens normale elektroniske enheder bruger elektrisk ladning til at repræsentere information som nuller og ettaller, kvantecomputere bruger ofte elektron-"spin"-tilstande til at repræsentere qubits.

Spin er en grundlæggende størrelse, vi har lært om gennem kvantemekanik. Desværre, det mangler en præcis pendant i hverdagsoplevelsen, selvom der nogle gange bruges en analogi med en planet, der drejer om sin egen akse.

Vi ved, at elektroner spinder i to forskellige retninger eller "tilstande" (dubbet op og ned). Ifølge kvantemekanikken, hver elektron i et materiale spinder i en kombination (superposition) af disse tilstande - et vist stykke op og et vist stykke ned. Sådan kan du få så mange værdier frem for blot nul eller én.

Blandt de fem krav til at bygge en kvantecomputer udviklet af Loss og DiVincenzo inkluderede muligheden for at opskalere systemet. Flere qubits betyder mere kraft. En anden fik information til at overleve i rimelig tid, når den først var kodet, mens andre vedrørte initialiseringen, manipulation og udlæsning af det fysiske system.

Selvom det oprindeligt var udtænkt til en kvantecomputer baseret på elektronspin i små partikler af halvledere, forslaget er nu implementeret på tværs af mange fysiske systemer, inklusive fangede ioner, superledere og diamanter.

Men, desværre, disse kræver et næsten perfekt vakuum, ekstremt lave temperaturer og ingen driftsforstyrrelser. De er også svære at skalere op.

Molekylær spintronik

Spintronics er en form for elektronik baseret på spin frem for ladning. Spin kan måles, fordi det genererer små magnetiske felter. Denne teknologi, som ofte bruger halvledere til at manipulere og måle spin, har allerede haft en enorm indflydelse på at forbedre harddiskens informationslagring.

Nu, forskere er klar over, at spintronik også kan udføres i organiske molekyler, der indeholder ringe af kulstofatomer. Og det forbinder det med et helt andet forskningsfelt kaldet molekylær elektronik, som har til formål at bygge elektroniske enheder ud fra enkelte molekyler og film af molekyler.

Kombinationen har vist sig nyttig. Ved omhyggeligt at kontrollere og manipulere en elektrons spin i et molekyle, det viser sig, at vi faktisk kan lave kvanteberegninger. Forberedelsen og aflæsningen af ​​elektronens spintilstand på molekyler sker ved at zappe dem med elektriske eller magnetiske felter.

Kulstofbaserede organiske molekyler og polymerhalvledere adresserer også kriterierne for at være nemme at skalere op. De gør dette gennem en evne til at danne molekylære rammer, inden for hvilke molekylære qubits sidder i umiddelbar nærhed af hinanden. Den lille størrelse af et enkelt molekyle favoriserer automatisk at pakke et stort antal af dem sammen på en lille chip.

Ud over, organiske materialer forstyrrer kvantespin mindre end andre elektroniske materialer gør. Det er fordi de er sammensat af relativt lette grundstoffer såsom kulstof og brint, hvilket resulterer i svagere interaktioner med de roterende elektroner. Dette undgår, at dets spins let vendes, hvilket får dem til at blive bevaret i lange perioder på op til flere mikrosekunder.

I et propelformet molekyle, denne varighed kan endda være op til et millisekund. Disse relativt lange tider er tilstrækkelige til, at operationer kan udføres - en anden stor fordel.

Resterende udfordringer

Men vi har stadig meget tilbage at lære. Ud over at forstå, hvad der forårsager forlængede spin-levetider på organiske molekyler, en forståelse af, hvor langt disse spins kan bevæge sig inden for organiske kredsløb, er nødvendig for at bygge effektive spin-baserede elektroniske kredsløb. Nedenstående figur viser nogle af vores koncepter for udforskende organiske spintroniske enheder til dette mål.

Der er også store udfordringer med at få sådanne enheder til at fungere effektivt. De ladede elektroner, der bærer spins i et organisk materiale, hopper konstant fra molekyle til molekyle, mens de bevæger sig. Denne hoppeaktivitet er desværre en kilde til elektrisk støj, gør det vanskeligt at elektrisk måle små spinstrømsignaturer ved hjælp af konventionelle arkitekturer. Det sagt, en relativt ny teknik kendt som spinpumpning kan vise sig at være egnet til at generere spinstrømme med lav støj i organiske materialer.

Et andet problem, når man forsøger at gøre organiske molekyler til seriøse kandidater inden for fremtidige kvanteteknologier, er evnen til sammenhængende at kontrollere og måle spins på enkelte molekyler, eller på et lille antal molekyler. Denne store udfordring ser i øjeblikket enorme fremskridt. For eksempel, et simpelt program til en kvantecomputer kendt som "Grovers søgealgoritme" blev for nylig implementeret på et enkelt magnetisk molekyle. Denne algoritme er kendt for at reducere den nødvendige tid til at udføre en søgning på en usorteret database markant.

I en anden rapport, et ensemble af molekyler blev med succes integreret i en hybrid superledende enhed. Det gav et proof-of-concept i at kombinere molekylære spin-qubits med eksisterende kvantearkitekturer.

Der er meget tilbage at gøre, men i den nuværende situation, molekylære spin-systemer finder hurtigt adskillige nye anvendelser inden for kvanteteknologier. Med fordelen ved lille størrelse og langvarige spins, det er kun et spørgsmål om tid, før de cementerer deres plads i køreplanen for kvanteteknologier.

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons-licens. Læs den originale artikel.