研究生Berk Kovos，博士后学者Sam Bayliss和研究生Peter Mintun（从左到右）在Pritzker分子工程学院的Awschalom实验室从事量子比特技术的研究。

量子位能够驾驭量子力学的奇异力量，是可能改变世界的技术的基础——比如功能强大的新型计算机或超精密传感器。

量子比特（量子位的缩写）通常由与我们日常使用的电子产品相同的半导体材料制成。但是，芝加哥大学和西北大学的一个由物理学家和化学家组成的跨学科团队开发了一种新的方法来制造定制的量子位元:通过化学合成分子，将量子信息编码到它们的磁性或“自旋”状态中。

这种新的自下而上的方法可能最终导致量子系统具有非凡的灵活性和控制能力，有助于为下一代量子技术铺平道路。

普利兹克分子工程学院（PME）的分子工程系Liew家族教授David Awschalom表示：“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，为量子信息科学创造新的原子尺度系统。这两个社区的结合将扩大人们的兴趣，并有可能增强量子传感和计算。”

研究结果发表在11月12日的《科学》杂志上。

量子位的工作原理是利用叠加现象。传统计算机所使用的经典比特位要么是1，要么是0，一个量子位可以同时是1和0。

该团队希望找到一种新的自下而上的方法来开发自旋态可以用作量子位元的分子，并且可以很容易地与外界连接。为了做到这一点，他们使用有机金属铬分子来创造一个他们可以用光和微波控制的自旋状态。

通过用精确控制的激光脉冲刺激分子并测量发出的光，他们可以“读取”分子被置于叠加态后的自旋状态——这是在量子技术中使用它们的关键要求。

通过合成化学改变这些分子上的几个不同原子，他们也能够改变它们的光学和磁特性，突出定制分子量子位元的前景。

Awschalom表示，芝加哥量子交易所的主管和Q-NEXT的主管Awschalom表示：“在过去的几十年里,光可寻址旋转半导体已被证明是非常强大的应用程序包括quantum-enhanced传感，将这些系统的物理特性转化为分子结构，打开了合成化学的强大工具箱，使我们刚刚开始探索的新功能成为可能。”

Freedman说：“我们的成果开辟了合成化学的一个新领域。我们证明了对对称和键合的综合控制可以产生量子位元，可以用半导体缺陷的同样方式解决。我们的自下而上的方法既能将单个单元功能化，作为‘设计量子位元’，用于目标应用，也能创建易于控制的量子态阵列，提供可扩展量子系统的可能性。”

这些分子的一个潜在应用可能是针对特定分子设计的量子传感器。这种传感器可以发现体内特定的细胞，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也有助于将量子技术与现有的经典技术结合起来。

芝加哥大学普利兹克分子工程学院Awschalom小组的博士后学者萨姆·贝利斯(Sam Bayliss)说，“量子技术面临的一些挑战或许可以通过这种非常不同的自下而上的方法来克服。在发光二极管中使用分子系统是一个革命性的转变;也许类似的事情也会发生在分子量子位元上。”

西北大学(Northwestern University)研究生、联合第一作者丹尼尔·伦萨(Daniel Laorenza)认为，化学领域存在巨大的创新潜力。他说:“这种对量子位元周围环境的化学特异性控制提供了一个有价值的特性，可以将光学寻址的分子量子位元集成到各种环境中。”