Квантовые вычисления на молекулярных спинах представляют собой область, где квантовая информация кодируется в состоянии спина отдельных молекул или кластеров, а логические операции реализуются через контролируемое взаимодействие этих спинов. В отличие от традиционных твердофазных систем (например, на базе сверхпроводников), молекулярные спины позволяют создавать масштабируемые и высокоизолированные кубиты с минимальной декогеренцией.
Определение кубита: В молекулярных системах кубит формируется на основе двух квантовых состояний спина, чаще всего спина электрона или спина ядра. Для одноэлектронного спина это состояния | ↑ ⟩ и | ↓ ⟩, соответствующие проекции спина на выбранную ось.
Ключевые характеристики молекулярного кубита:
Для реализации квантовой логики необходимо управлять взаимодействием между спинами:
Сильное спин-спиновое взаимодействие (exchange interaction): Обеспечивает быстрые двухкубитные операции, например, реализацию CNOT или SWAP-гейтов. Интенсивность взаимодействия можно контролировать через химическую структуру молекулы или межмолекулярные расстояния.
Диполь-дипольное взаимодействие: Слабо взаимодействующие спины могут быть связаны через магнитные диполи, что позволяет создавать медленные, но высоко изолированные двухкубитные операции.
Электрический контроль спина: В молекулах с сильной спин–орбитальной связью возможно управлять спинами электрическим полем, что открывает путь к масштабируемым архитектурам с минимальным потреблением энергии.
Микроволновая спектроскопия: Используется для точного вращения спина и реализации одно- и двухкубитных гейтов. Форма и длительность импульсов критически влияют на точность операций.
Декогеренция и динамическое подавление шума:
Энтропия и температура: Для сохранения когерентности системы работают при криогенных температурах (<1 K), особенно при использовании электроноспиновых кубитов. Ядерные спины, обладающие более долгими временами релаксации, могут использоваться для хранения информации и последующей передачи на электронные спины для быстрого управления.
Линейные цепочки и двумерные решетки: Молекулы можно организовать в упорядоченные массивы, где взаимодействие между спинами локализовано. Это позволяет реализовывать как последовательные, так и параллельные операции.
Гибридные схемы: Комбинация молекулярных спинов с полупроводниковыми или сверхпроводниковыми элементами позволяет интегрировать молекулярные кубиты в существующие квантовые архитектуры, используя спин-оптические интерфейсы для считывания состояния.
Многоуровневая кодировка: Использование спинов с S > 1/2 позволяет кодировать несколько логических кубитов в одной молекуле, что сокращает количество элементов в квантовом процессоре и снижает требования к межмолекулярным связям.
Стабильность молекул: Для долговременной работы кубитов необходимо избегать химической деградации и случайной флуктуации среды.
Считывание спина: Методы оптического или электрического считывания требуют высокой чувствительности для отдельных молекул. Современные подходы включают спин-оптическую фотолюминесценцию и спин-зависимую туннельную проводимость.
Кооперативные эффекты: Взаимодействие большого числа спинов может привести к коллективным явлениям, таким как суперспиновые резонансы, что открывает возможности для реализации высокоэффективных квантовых симуляторов.