量子比特具有利用量子力学奇异力量的能力，是潜在改变世界的技术的基础-诸如功能强大的新型计算机或超高精度传感器。

量子位（量子比特的缩写）通常由与我们日常电子产品相同的半导体材料制成。但是，西北大学和芝加哥大学的化学家和物理学家组成的跨学科团队开发了一种新方法来创建量身定制的量子位：通过化学合成将量子信息编码为磁性或“自旋”状态的分子。

这种新的自下而上的方法最终可能导致量子系统具有非凡的灵活性和可控制性，从而有助于为下一代量子技术铺平道路。

美国西北大学温伯格文理学院的化学教授丹纳·弗里德曼说：“化学合成使原子能控制量子位结构。” “分子化学为量子信息科学创造了新的范例。” 她与芝加哥大学普利兹克分子工程学院的同事David Awschalom一起领导了这项研究。

结果发表在《科学》杂志上（“用于量子信息处理的光学可寻址分子自旋”）。

Liew分子工程系教授Awschalom说：“这是功能强大且可扩展的量子技术的概念证明。” “我们可以利用分子设计技术为量子信息科学创建新的原子级系统。将这两个共同体放在一起将扩大人们的兴趣，并具有增强量子感测和计算的潜力。”

Awschalom还是Q-NEXT的主任，Q-NEXT是能源部国家量子信息科学研究中心的一个部门，该中心成立于8月，由阿贡国家实验室领导。弗里德曼（Freedman）和西北地区的另外两名教师是新中心的成员。

 量身定制的分子量子位

芝加哥大学和西北大学的一个跨学科团队开发了一种合成量身定制的分子量子位的方法。（插图：西北大学的Daniel Laorenza）

量子位通过利用称为叠加的现象来工作。传统计算机使用的经典位测量值为1或0，而一个qubit可以同时为1和0。

该团队希望找到一种新的自下而上的方法来开发分子，这些分子的自旋态可以用作量子位，并且可以很容易地与外界联系。为此，他们使用有机金属铬分子创建了可以用光和微波控制的自旋态。

通过用精确控制的激光脉冲激发分子并测量发射的光，它们可以在叠置后“读取”分子的自旋状态，这是在量子技术中使用它们的关键要求。

通过合成化学方法仅改变这些分子上的几个不同原子，它们还能够改变其光学和磁性，从而突显了定制分子量子位的前景。

“在过去的几十年中，半导体的光学可寻址自旋已被证明对于包括量子增强传感在内的应用极为强大，” Awschalom说。“将这些系统的物理学转化为分子体系结构，将打开一个强大的合成化学工具箱，以实现我们才刚刚开始探索的新颖功能。”

Freedman说：“我们的研究结果开辟了合成化学的新领域。” “我们证明了对称和键合的综合控制可以产生量子位，可以用与半导体缺陷相同的方式来解决。我们的自下而上的方法既可以将单个单元功能化为目标应用的'设计量子位'，又可以创建阵列。易于控制的量子态，提供了可扩展量子系统的可能性。”

这些分子的一种潜在应用可能是设计为靶向特定分子的量子传感器。这样的传感器可以发现体内的特定细胞，检测食物何时变质甚至发现危险的化学物质。

这种自下而上的方法还可以帮助将量子技术与现有的经典技术集成在一起。

Awschalom小组的博士后学者，论文的第一作者之一Sam Bayliss说：“采用这种完全不同的自下而上的方法也许可以克服量子技术面临的一些挑战。” “在发光二极管中使用分子系统是一个变革性的转变；也许分子量子位可能发生类似的事情。”

弗里德曼实验室的研究生，第一作者之一丹尼尔·拉伦扎（Daniel Laorenza）认为，该领域的化学创新潜力巨大。他说：“对量子位周围环境的化学特异性控制为将光学可寻址分子量子位整合到广泛的环境中提供了宝贵的功能，”他说。