量子计算机。长期以来，人们一直吹捧其蕴含的无限可能性，但其实际应用却始终面临一道巨大的障碍：“极低温”的魔咒。目前，大多数量子比特只能在接近绝对零度（-273.15°C）的极端环境下维持其脆弱的量子态，这比外太空还要冷。因此，量子计算机需要巨大的制冷设备，并且一直以来都是深藏于实验室的“特殊机器”。然而，这种情况即将发生巨大改变。
佐治亚理工学院和阿拉巴马大学的研究团队在科学期刊《先进材料》上发表的研究成果，堪称“革命性”。他们开发出一种全新类型的聚合物（一种类似塑料的聚合材料），能够在室温下以固态稳定地存储甚至操控量子比特信息。这种“量子聚合物”是一项突破性的发现，有可能将量子技术从低温实验室中解放出来，并最终使其更贴近我们的日常生活。
低温诅咒：量子计算机无法克服的“绝对零度障碍”
要了解这种新材料的革命性，我们首先需要了解为什么量子计算机需要低温。
量子计算机的核心“量子比特”利用“叠加”状态，使其可以同时为“0”和“1”，展现出传统计算机无法比拟的计算能力。然而，这种叠加状态极其脆弱，就像在水面上绘制的图案一样。即使周围温度的轻微波动或电磁噪声的暴露，都可能导致量子比特瞬间失去其神奇状态。这种现象被称为“退相干”。
退相干是量子计算机发展的最大敌人。如果量子态在计算完成之前被破坏，一切都将化为乌有。为了抑制这种退相干，科学家们不得不将量子比特与外界环境彻底隔离。最有效的方法是将它们冷却到接近绝对零度，此时原子的热振动几乎停止。
迄今为止，量子比特的候选材料主要是极其坚硬稳定的无机晶体，例如金刚石或碳化硅（SiC）内部的氮空位（NV）中心。这些晶格充当“支架”，保护量子比特免受外部噪声的影响。然而，高性能运行仍然需要极低的温度环境，而大型制冷机及其相关的高昂能源成本一直是实际应用的主要障碍。
“扭转”诞生的奇迹：新开发聚合物背后的巧妙设计理念
研究团队的最新尝试是彻底反思“用硬晶体保护材料”的传统方法。他们将目光转向了一种名为“共轭聚合物”的有机材料，这种材料可以利用化学的力量自由设计。他们希望利用这种柔韧、易于加工且制造成本可能较低的聚合物来突破极低温的障碍。
然而，成功之路并非一帆风顺。人们普遍认为，聚合物等柔软的有机材料容易堆积在一起，而这些相互作用会成为噪声源，加速退相干。研究团队以一种出人意料的巧妙“分子级架构”解决了这一难题。
分子框架的基本设计：供体和受体的合作
所开发的聚合物具有一种被称为“供体-受体（DA）型”的结构，其中两种具有不同性质的分子单元交替连接在一起。
- 供体单元：一种称为“二噻吩并噻唑”的有机化合物，具有容易捐赠电子的性质。
- 受体单元：噻二唑并喹喔啉，具有易于接受电子的性质。
通过交替连接，电子能够在整个聚合物链中自由移动。这种特殊的电子结构为携带量子信息的“自旋”（电子的磁性）的稳定存在提供了基础。模拟表明，随着聚合物链的延长，供体和受体之间的相互作用会自发地形成“高自旋三重态（S=1）”，其中两个未配对电子沿同一方向排列。这种状态与之前的固态量子比特（例如金刚石NV中心）的电子结构非常相似，表明其具有作为量子比特的潜力。
创新的关键：“硅原子”创造的精妙“扭曲”
这种聚合物设计的真正巧妙之处在于将“硅原子”并入供体单元的中心。
许多共轭聚合物具有扁平的带状形状，这使得它们容易发生自发的π-π堆积，即分子相互堆叠的现象。这种过度拥挤会导致相邻自旋之间产生不必要的相互作用，从而加速退相干。
为了解决这个问题，研究团队策略性地将硅原子放置在分子骨架中。这些硅原子赋予整个分子骨架一种精妙的“扭曲”。这种扭曲使聚合物链失去其完美的平面结构，从而物理上阻止了分子紧密堆叠。换句话说，它有意确保了分子之间的“社交距离”。
这种巧妙的结构设计使自旋在保持固态的同时，免受环境噪声的影响，如同被隔离一样。结果，导致退相干的主要原因——分子间偶极子相互作用以及与晶格振动（声子）的相互作用——被显著抑制，从而使量子态能够长时间维持。
一种名为“侧链”的润滑剂，可提高加工性能
为了进一步拓展该聚合物的实际应用，研究团队在受体单元上连接了被称为“碳氢侧链”的长分子臂。这些侧链可以防止分子聚集并降低溶解度，使其更易溶于各种溶剂。这使得该聚合物可以进行“溶液处理”，这意味着它可以像墨水一样溶解并在基底上形成薄膜。这对于未来的器件制造至关重要，因为它将使低成本、大面积制造工艺（例如印刷）成为可能。
室温下的量子相干性：坚实的实验数据支持理论
研究团队进行了一系列精确的实验，以验证这种巧妙的分子设计是否确实发挥了预期的功能。
此次验证的主要技术是电子顺磁共振（EPR）波谱法，该方法利用强磁场和微波直接观察材料中的自旋状态，就像电子的核磁共振成像（MRI）。
从 EPR 测量中获得的数据令人惊讶。
量子态“寿命”的两个指标：T1和Tm
衡量量子比特性能的重要指标有两个。
- 自旋晶格弛豫时间 (T1)：量子比特失去能量并返回其最稳定基态所需的时间。这对应于量子比特的“寿命”。
- 相位记忆时间（Tm）：量子比特的“叠加态”被外部噪声破坏所需的时间。它也被称为“相干时间”，因为它表示可以执行量子计算的时间上限。
当研究团队测量这种聚合物的性能时，结果令人惊讶。
- 室温下（298K，约25°C）：
- T1 ≈ 44 微秒 (μs)
- Tm ≈ 0.3 微秒 (μs)
- 在极低温度下（5.5K，约-268°C）：
- T1 ≈ 44 毫秒 (ms)
- Tm > 1.5 微秒 (μs)
室温下0.3微秒的相干时间超过了很多其他合成分子基材料的相干时间，尤其值得注意的是，这一数值是在聚合物固态下单独实现的，无需在特殊基质中稀释，这标志着朝着实用设备迈出了重要一步。
它可以作为量子比特来操作吗？：“拉比振荡”的观察
量子比特仅有寿命是不够的。它的状态必须能够通过微波等外部辐射☢️自由控制（操纵）。研究团队进行了一项实验，用微波脉冲照射这种聚合物，成功观察到一种被称为”拉比振荡”的现象。
拉比振荡是量子比特周期性地在“0”和“1”之间交替的现象，其观测结果直接证明了自旋状态可以被随意相干地操纵。这是一个极其重要的结果，证明了量子计算机基本操作“量子门操作”的可行性。
确凿证据证明“硅扭曲”的重要性
为了证明他们的分子设计，研究小组随后进行了一项关键的对比实验：他们合成了一种结构非常相似的对照聚合物，用碳原子取代了所讨论的聚合物中的硅原子。
当碳原子被替换时，聚合物主链的“扭曲”消失了，从而形成了更扁平的结构。结果如何？在 78 K（约 -195°C）下的测量表明，相干时间 (Tm) 为 130 纳秒（0.13 微秒），仅为硅基版本的四分之一。此外，寿命 (T1) 为 1.04 微秒，短了整整三个数量级。
这一结果清楚地表明，聚合物主链中的细微结构差异（扭曲）会极大地影响量子相干性，完美地展示了量子材料科学的魅力，其中分子水平的精确设计可以控制宏观量子特性。
拓展量子计算机之外的可能性
这种量子聚合物的应用不仅限于量子计算机：其独特的特性有可能为各个领域带来创新。
『半导体』面貌：与电子设备的集成
令人惊喜的是，这种量子聚合物不仅展现出量子特性，还能作为p型『半导体』发挥作用，并已被证实可以稳定地作为场效应晶体管（FET）工作。测得的空穴迁移率为2.07×10⁻⁴ cm² V⁻¹ s⁻¹，达到了有机『半导体』的标准值。
这表明，在同一材料中结合传统的硅基电子电路和基于自旋的量子功能是可能的。例如，这可以应用于诸如电检测磁共振（EDMR）之类的技术，该技术利用电信号读取自旋状态，从而实现更紧凑、功能更强大的混合设备。
应用于在室温下运行的高灵敏度传感器
电子自旋对周围磁场高度敏感。这一特性可用于开发超灵敏传感器，以探测分子水平的微小磁场。传统传感器要么需要低温冷却，要么灵敏度不足。
这种聚合物可以用于制造在室温下可以作为薄膜应用于各个位置的传感器，从而带来不可估量的应用，例如医疗领域的新诊断技术和化学反应的实时监测。
需要克服的挑战和未来前景
当然，我们也需要冷静地认识到，这些研究成果并不会立即带来量子计算机的实际应用。
最大的挑战是进一步提高相干时间。虽然室温下0.3微秒的相干时间对于分子系统而言是一个突破，但要实现有意义的量子计算，仍需要几个数量级的提升。作者承认，电子自旋之间的相互作用等因素限制了当前的相干时间，这将是未来研究的重点。
但这项研究成果的意义依然不可否认：它提出了一种新的范式，即量子相干性可以通过化学设计在常温常压下“嵌入”到固体材料中，而无需低温或稀释等“特殊保护”。
迄今为止，量子计算机的发展一直受到巨型冰箱物理限制的阻碍。这为人类摆脱这一困境指明了一条全新的道路。基于这一设计理念，研究人员有望尝试新的供体和受体组合，并进一步优化分子结构，从而显著提升相干时间。
这些“扭曲”聚合物所编织的未来还处于起步阶段，但有一天，当我们手中的设备能够在星空的绝对零度寂静中执行复杂的量子计算时，我们会记得，这一小步是改变世界的一大步。
参考
- 先进材料：高自旋供体-受体共轭聚合物的固态量子相干性
- 纳米技术：量子相干性在聚合物中变为固态
