物理学：在室温下量子计算所需要的只是一些樟脑球！
通过燃烧萘（左）制备在室温（右）下作为量子位的导电碳纳米球。图片来源：Mohammad Choucair博士，作者提供。
目前关于量子计算机发展的许多研究涉及在非常低的温度下工作。使它们在日常使用中更实用的挑战是使它们在室温下工作。
这方面的突破来自于使用一些日常材料，今天在Nature Communications上发布了详细信息。
典型的现代计算机使用离散位的二进制数系统表示信息，表示为0和1。
量子计算机使用量子比特或量子比特序列。它们可以将信息表示为0或1或0到1之间的一系列状态中的任何一个，称为这些量子位的量子叠加。
正是这种飞跃使得量子计算机能够比现今的典型计算机更快，更有力地解决问题。
一切都在旋转！
电子具有电荷和自旋 - 自旋决定原子是否会产生磁场。自旋也可以用作量子位，因为它可以在自旋向上和向下自旋量子态之间经历转换，经典地用0和1表示。
但是电子自旋态因此需要对“退相干”具有鲁棒性。这是量子叠加期间电子自旋的无序化，这导致信息的丢失。
电子自旋寿命受到材料中晶格振动和相邻磁相互作用的影响。量子计算需要超过100纳秒的长电子自旋寿命。
将材料冷却至接近绝对零度-273 ℃的低温确实会增加旋转寿命。使用磁性纯导电材料也是如此。
酷计算！
因此，使用原子级重材料（如硅或金属）的量子器件需要冷却到接近绝对零度的低温。
其他材料已用于在室温下进行量子操作。但这些材料需要进行同位素设计，这需要核反应堆等大型设施，并限制量子比特密度。
还使用了诸如金属 - 有机簇化合物的分子，但它们也需要低温和同位素工程。
关于量子计算应用量子比特材料系统的可行性，需要考虑明确和既定的权衡。
在室温下具有超过100纳秒的长电子自旋寿命的轻原子量的导电材料将允许实际的量子计算。这种材料将结合当前固态材料量子比特方案的最佳方面。
为什么你需要樟脑丸！
我们已经证明，在室温下可以实现由碳纳米球构成的金属类材料中的长传导电子自旋寿命。
这种材料是通过燃烧樟脑中的活性成分萘而生产的。
该材料以固体粉末形式生产并在空气中处理。然后可将其分散在乙醇和水溶剂中，或直接沉积在玻璃表面上。由于材料非常均匀，可以在散装固体粉末上进行测量。
这使我们在室温下实现了175纳秒的新记录电子自旋寿命。这可能听起来不是很长时间，但它超出了量子计算应用的先决条件，并且比石墨烯中的应用长约100倍。
这可能是由于材料对传导电子的自掺杂及其纳米空间限制。这基本上意味着球体可以完全由碳制成，同时保留其独特的电子特性。
我们的工作现在开启了在室温下在导电材料中操纵自旋量子位的可能性。该方法不需要对主体材料进行任何同位素工程，旋转分子的稀释或低温。
原则上，它允许更高密度的量子位堆积，而不是像硅中使用的那些有希望的量子位。
降低成本！
使用常用的实验室试剂非常容易地制备碳材料减少了实现实际量子计算的许多技术障碍。
例如，冷却接近绝对零度的材料所需的制冷系统可能花费数百万美元并且占据大房间大小的物理空间。
要构建量子计算机，需要证明量子位可以进行涉及量子态叠加的操作，还需要构建一个有效的量子逻辑门（开关）。
在我们的工作中，我们展示了前者，同时使后者成为工程学而非突破性科学的问题。下一步将是构建量子逻辑门——一个实际的设备。
令人兴奋的是，材料以适合于器件加工的形式制备。我们已经证明，单个导电碳纳米球可以在硅表面上分离。
原则上，这可以为纳米球的高密度量子位阵列提供初始途径，纳米球集成到现有的硅技术或基于薄膜的电子设备上。
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