物理學：在室溫下量子計算所需要的只是一些樟腦球！
通過燃燒萘（左）製備在室溫（右）下作為量子位的導電碳納米球。圖片來源：Mohammad Choucair博士，作者提供。
目前關於量子計算機發展的許多研究涉及在非常低的溫度下工作。使它們在日常使用中更實用的挑戰是使它們在室溫下工作。
這方面的突破來自於使用一些日常材料，今天在Nature Communications上發佈了詳細信息。
典型的現代計算機使用離散位的二進制數系統表示信息，表示為0和1。
量子計算機使用量子比特或量子比特序列。它們可以將信息表示為0或1或0到1之間的一系列狀態中的任何一個，稱為這些量子位的量子疊加。
正是這種飛躍使得量子計算機能夠比現今的典型計算機更快，更有力地解決問題。
一切都在旋轉！
電子具有電荷和自旋 - 自旋決定原子是否會產生磁場。自旋也可以用作量子位，因為它可以在自旋向上和向下自旋量子態之間經歷轉換，經典地用0和1表示。
但是電子自旋態因此需要對“退相干”具有魯棒性。這是量子疊加期間電子自旋的無序化，這導致信息的丟失。
電子自旋壽命受到材料中晶格振動和相鄰磁相互作用的影響。量子計算需要超過100納秒的長電子自旋壽命。
將材料冷卻至接近絕對零度-273 ℃的低溫確實會增加旋轉壽命。使用磁性純導電材料也是如此。
酷計算！
因此，使用原子級重材料（如硅或金屬）的量子器件需要冷卻到接近絕對零度的低溫。
其他材料已用於在室溫下進行量子操作。但這些材料需要進行同位素設計，這需要核反應堆等大型設施，並限制量子比特密度。
還使用了諸如金屬 - 有機簇化合物的分子，但它們也需要低溫和同位素工程。
關於量子計算應用量子比特材料系統的可行性，需要考慮明確和既定的權衡。
在室溫下具有超過100納秒的長電子自旋壽命的輕原子量的導電材料將允許實際的量子計算。這種材料將結合當前固態材料量子比特方案的最佳方面。
為什麼你需要樟腦丸！
我們已經證明，在室溫下可以實現由碳納米球構成的金屬類材料中的長傳導電子自旋壽命。
這種材料是通過燃燒樟腦中的活性成分萘而生產的。
該材料以固體粉末形式生產並在空氣中處理。然後可將其分散在乙醇和水溶劑中，或直接沉積在玻璃表面上。由於材料非常均勻，可以在散裝固體粉末上進行測量。
這使我們在室溫下實現了175納秒的新記錄電子自旋壽命。這可能聽起來不是很長時間，但它超出了量子計算應用的先決條件，並且比石墨烯中的應用長約100倍。
這可能是由於材料對傳導電子的自摻雜及其納米空間限制。這基本上意味著球體可以完全由碳製成，同時保留其獨特的電子特性。
我們的工作現在開啟了在室溫下在導電材料中操縱自旋量子位的可能性。該方法不需要對主體材料進行任何同位素工程，旋轉分子的稀釋或低溫。
原則上，它允許更高密度的量子位堆積，而不是像硅中使用的那些有希望的量子位。
降低成本！
使用常用的實驗室試劑非常容易地製備碳材料減少了實現實際量子計算的許多技術障礙。
例如，冷卻接近絕對零度的材料所需的製冷系統可能花費數百萬美元並且佔據大房間大小的物理空間。
要構建量子計算機，需要證明量子位可以進行涉及量子態疊加的操作，還需要構建一個有效的量子邏輯門（開關）。
在我們的工作中，我們展示了前者，同時使後者成為工程學而非突破性科學的問題。下一步將是構建量子邏輯門——一個實際的設備。
令人興奮的是，材料以適合於器件加工的形式製備。我們已經證明，單個導電碳納米球可以在硅表面上分離。
原則上，這可以為納米球的高密度量子位陣列提供初始途徑，納米球集成到現有的硅技術或基於薄膜的電子設備上。
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