基于“分子自旋电子学”的新技术，将给量子计算机带来新希望
博科园：本文为量子物理学类
基于量子力学的量子计算机，可能有一天会给世界带来革命性的变化，一旦我们成功地建造了一台强大的量子计算机，它将能够解决一些今天计算机需要数百万年才能计算的问题。计算机使用位(0或1)对信息进行编码，量子计算机使用“量子位”（它可以取0到1之间的任意值）赋予它们巨大的处理能力。但是量子系统是出了名的脆弱，虽然已经在为一些提议的应用构建工作机器方面取得了进展，但这项任务仍然很困难，但是一种被称为分子自旋电子学的新方法提供了新希望。
1997年理论物理学家Daniel loss和David DiVincenzo制定了创造量子计算机所需的一般规则，普通电子设备使用电荷将信息表示为0和1，而量子计算机通常使用电子“自旋”状态来表示量子位。自旋是我们通过量子力学学到的一个基本量，不幸的是，它在日常经验中缺乏准确的对应物，即使有时使用行星绕其自身轴线自转的类比。研究已经知道电子在两个不同的方向或“状态”(称为向上和向下)旋转。根据量子力学，材料中每个电子都以这些状态的组合(叠加)旋转，某一位向上，另一位向下。
这就是为什么可以得到这么多的值，而不仅仅是0或1。在由Loss和DiVincenzo开发建造量子计算机的五个要求中，包括了放大系统的可能性。更多量子位意味着更多的能量，另一种方法是使信息在编码后的合理时间内存活，而另一些方法则涉及物理系统的初始化、操作和读出。尽管最初设想是基于半导体微小颗粒中电子自旋的量子计算机，但该提议现在已经在许多物理系统中实施，包括俘获离子、超导体和钻石。但是，不幸的是，这些需要一个近乎完美的真空，极低温度和没有干扰的操作，同时也很难扩大规模。
自旋电子学是一种基于自旋而不是电荷的电子学形式，自旋可以测量，因为它产生微小的磁场。这项技术经常使用半导体来操纵和测量自旋，已经对改善硬盘信息存储产生了巨大影响。现在，科学家们意识到自旋电子学也可以在含有碳原子环的有机分子中进行。这将它与另一个被称为分子电子学的研究领域连接起来，该领域目标是从单个分子和分子的薄膜中构建电子设备。事实证明这种组合是有用的，通过仔细控制和操纵分子中电子的自旋，实际上可以进行量子计算。
准备和读出分子上电子的自旋状态是通过用电场或磁场击打它们来完成。碳基有机分子和聚合物半导体也解决了易于扩展的标准，通过形成分子框架的能力来做到这一点，在分子框架中，分子量子比特彼此非常接近。单个分子的微小尺寸自动地倾向于将大量分子组装在一个小芯片上。此外，与其他电子材料相比，有机材料对量子自旋的干扰较小。这是因为它们由碳和氢等相对较轻的元素组成，导致与自旋电子的相互作用较弱。
这样可以避免其自旋处于容易翻转的状态，从而使其保持长达几微秒的时间。在一个螺旋桨形状的分子中，这种持续时间甚至可以长达一毫秒，这些相对较长的时间足以执行操作，也一个巨大优势。但还有很多东西需要继续探索，除了理解是什么导致有机分子的自旋寿命延长之外，对于构建高效基于自旋的电子电路来说，掌握这些自旋可以在有机电路中传播多远是必要的。上图显示了科学家们为实现这一目标而探索有机自旋电子器件的一些概念。
要使这些设备高效工作，也存在重大挑战，在有机材料中携带自旋的带电电子在运动时不断地从一个分子跳到另一个分子。不幸的是，这种跳跃活动是电噪声的来源，使得难以使用传统的体系结构来电测量小的自旋电流特征。这就是说，一种被称为自旋泵的相对较新技术可能被证明，适合于在有机材料中产生低噪声的自旋流。当试图在未来的量子技术中使有机分子成为重要的候选者时，另一个问题是能够相干地控制和测量单个分子或少数分子的自旋。这一重大挑战目前正在取得巨大进展。
例如现在在单个磁性分子上实现了一个名为“Grover搜索算法”的量子计算机简单程序。已知该算法显著减少了在未排序数据库上执行搜索所需的时间。在另一份研究报告中，一组分子成功地集成到了混合超导器件中，它提供了将分子自旋量子比特与现有量子结构相结合的概念证明。当然还有很多研究要做，但在目前状态下，分子自旋系统正在量子技术中快速找到几个新的应用。由于体积小和自旋寿命长的优势，在量子技术路线图中巩固自己的位置只是一个时间问题。
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分子电子学：未来电子器件小型化的关键或将是聚合物！
导读
据日本东京工业大学官网近日报道，该校与筑波大学的科学家们证明了聚合物在制造单分子电子器件方面扮演着关键角色，也使我们将纳米器件革命推向了新的境界。背景
如今，小型化成为了电子器件最重要的发展趋势之一，电子元器件的设计尺寸已缩小至纳米级别。“摩尔定律”指出：“当价格不变时，集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。”
摩尔定律-集成电路芯片上晶体管数量（1976-2016）（图片来源：维基百科）
但是近年来，摩尔定律似乎正在面临严峻挑战，芯片上晶体管的尺寸缩小与数量增加的速度正在放缓。因此，我们迫切需要新的技术来继续推进电子设备小型化。
早在上世纪七十年代，科学家们就提出用分子取代电线来构造电路。经过几十年发展，这项技术渐趋成熟，形成了一个新的前沿科技领域：分子电子学。
可精准控制的分子晶体管（图片来源：美国海军研究实验室）
分子电子学研究的是分子水平上的电子学，其目标是用单个分子、超分子或分子簇代替硅基半导体晶体管等固体电子学元件组装逻辑电路，乃至组装完整的分子计算机。
在硅芯片上建立分子电气触点（图片来源：IBM苏黎世研究院）
基于石墨烯的分子电子器件（图片来源：Alexander Rudnev/瑞士伯尔尼大学）
创新
日本东京工业大学科学院副教授 Tomoaki Nishino 领导的科研团队也在分子电子学领域展开探索，他们正研究的是单分子器件。
Nishino 解释道：“终极的小型化有望通过分子电子器件实现。在分子电子学领域，单分子被作为功能元件使用。”
技术
然而，正如你所料想的，通过单分子创造电子元器件并不是一项简单的任务。由单分子组成的功能器件非常难以制造。更进一步说，包含它们的接触点（电气触点）寿命较短，这样使得它们难以应用。研究团队基于之前的工作推断出，一种形成聚合物的长链单体（单分子），相对于比较小的分子来说，表现得更好。
为了证明这个想法，他们采用了一项称为“扫描隧道显微镜（STM）”的技术。在这项技术中，尾端是单原子的金属针尖用于测量极小的电流，以及当针尖在目标表面（如下图所示）上与一个原子或者多个原子创造出电气接触点时的电流波动。
由STM针尖与聚合物创造出的单分子接触点（图片来源：东京工业大学）
团队通过STM创造出由针尖与一个称为“poly(vinylpyridine)”的聚合物或者它对应的单体“4,4'-trimethylenedipyridine”组成的电气触点，“4,4'-trimethylenedipyridine”被认为是聚合物的成分之一。研究人员们通过测量这些接触点的导电特性，试图证明聚合物可用于制造单分子器件。
可是为了进行分析，团队必须首先设计一种算法，使他们可以通过STM测量到的电流信号，提取出他们所感兴趣的量。简单地说，它们的算法使他们可以自动检测和计算出来自针尖与目标表面随着时间变化的电流信号中的小的稳定期。这个稳定期表明，在针尖和表面上的单分子之间创造出了一个稳定的导电接触点。
价值
研究团队采用这个方法，分析了通过聚合物及其对应的单体创造出的接触点上所获取的结果。他们发现，作为电子元器件来说，聚合物比单体具有更佳的特性。
Nishino 表示：“未来实际应用最重要的特性之一‘接触点形成的可能性’，对于聚合物接触点来说更高。”此外，流过聚合物接触点的电流，相对于流过单体接触点的电流来说，更加稳定且可预测（偏差较小）。
该研究团队所展现的成果，揭示了聚合物作为未来电子器件小型化构成要素的巨大潜力。聚合物是否会成为突破新的物理极限的关键？但愿时间会给出答案。
关键字
聚合物、分子电子、摩尔定律
参考资料
【1】https://www.titech.ac.jp/english/news/2019/044388.html
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