施祖進和高松課題組在富勒烯金屬包合物量子比特研究中取得重要進展
上世紀(jì)八十年代，美國物理學(xué)家費恩曼提出可以利用量子力學(xué)原理設(shè)計計算機，也被稱為量子計算機。利用量子比特（qubit）所具有的疊加態(tài)作為計算基礎(chǔ)，可以實現(xiàn)并行計算。量子計算有望表現(xiàn)出比經(jīng)典計算更為強大的計算性能。其中，Grover量子算法是適用于量子計算的有效算法，其要求計算基元具有如下兩個性質(zhì)：1.能級差不同的多個躍遷；2.退相干時間足夠長。單分子磁體由于復(fù)雜的能級結(jié)構(gòu)和磁各向異性，非常適合作為Grover算法的計算基元。
研究人員一直致力于尋找滿足Grover算法要求的分子基量子比特，但高自旋使體系趨于表現(xiàn)出經(jīng)典行為，退相干時間難以滿足要求。富勒烯金屬包合物既可以提供具有屏蔽作用的碳籠保護量子相干性，又可以通過不同金屬或團簇的嵌入實現(xiàn)對不同自旋態(tài)的調(diào)控，有望成為新型的分子基量子比特。
近日，北京大學(xué)化學(xué)院施祖進課題組和高松課題組蔣尚達研究團隊研究了雙金屬氮雜富勒烯Gd2@C79N的分子結(jié)構(gòu)和量子比特行為，證明了在這一體系中可以實現(xiàn)對任意疊加態(tài)的操控，并可應(yīng)用于Grover算法中。該研究成果以全文的形式在Journal of the American Chemical Society 上在線發(fā)表（J. Am. Chem. Soc. 2018, DOI :10.1021/jacs.7b12170）。該研究團隊通過Gd2@C79N與八乙基鎳卟啉共結(jié)晶的方法培養(yǎng)單晶， 利用XRD技術(shù)確認了結(jié)構(gòu)。直流磁化率測試表明，碳籠上氮原子取代引入的自由基轉(zhuǎn)移到內(nèi)部釓離子之間，并與兩個釓離子發(fā)生強的鐵磁耦合（耦合常數(shù)JGd-Rad = 350 ± 20 cm-1），使體系呈現(xiàn)出S = 15/2的高自旋基態(tài)。連續(xù)波電子順磁共振（cw-EPR）測試在0-6000 G磁場范圍內(nèi)觀測到了22個躍遷，通過自旋哈密頓量的擬合可以確定Gd2@C79N中豐富的多能級結(jié)構(gòu)。脈沖EPR（pulse EPR）則可以通過自旋回波（spin echo）信號研究體系中的退相干行為。在5 K溫度下，2-6000 G磁場范圍內(nèi)，高自旋Gd2@C79N仍然具有微秒量級的退相干時間， 如此長的退相干時間使得對任意自旋疊加態(tài)的操控成為可能。自旋回波章動實驗證明了體系中多樣性拉比循環(huán)（Rabi Cycle）的存在，拉比頻率則可由旋轉(zhuǎn)波近似的方法從22個躍遷推演計算，并且得到與實驗數(shù)據(jù)一致的結(jié)果，進一步驗證了Gd2@C79N的22個躍遷非常適合用于量子操作。
通過稀土金屬與自由基耦合的化學(xué)設(shè)計，脈沖EPR表征以及相應(yīng)的理論推算，Gd2@C79N滿足了Grover算法要求，可作為分子基量子比特并應(yīng)用于后續(xù)的量子計算中。這也是迄今為止最大自旋的多拉比循環(huán)實例，為富勒烯金屬包合物在自旋器件的應(yīng)用和分子磁體中Grover算法的研究提供了新思路。
北京大學(xué)博士研究生胡子琦和董博為是本文的共同第一作者；施祖進教授、蔣尚達副研究員和高松院士為共同通訊作者。該工作得到了來自國家自然科學(xué)基金委和科技部等項目的資助。
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