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室溫量子計算新突破：新型聚合物讓量子比特擺脫極低溫依賴

來源：責編：時間：2025-09-24 12:16:37 26觀看

導讀長期以來，量子計算機被視為科技領域的“未來之星”，其并行計算能力遠超傳統計算機。然而，一個難以突破的瓶頸始終橫亙在前——量子比特必須在接近絕對零度（-273.15°C）的極端低溫下運行，否則其脆弱的量子疊加態會因環境擾動

長期以來，量子計算機被視為科技領域的“未來之星”，其并行計算能力遠超傳統計算機。然而，一個難以突破的瓶頸始終橫亙在前——量子比特必須在接近絕對零度（-273.15°C）的極端低溫下運行，否則其脆弱的量子疊加態會因環境擾動而崩潰。這一限制讓量子計算機始終停留在實驗室階段，難以走向實際應用。如今，一項來自佐治亞理工學院和阿拉巴馬大學的研究成果，可能為這一困境帶來轉機。

研究團隊在《先進材料》期刊上發表的論文中，介紹了一種新型聚合物材料。這種材料以“共軛聚合物”為基礎，通過分子層面的精妙設計，實現了在室溫（約25°C）下穩定存儲和操控量子比特信息的能力。這一突破意味著，量子計算機或許無需再依賴龐大的制冷設備，未來有望像普通電子設備一樣，在常規環境中運行。

量子比特的“疊加態”是其核心優勢，但也是其最大弱點。這種狀態允許量子比特同時表示“0”和“1”，從而大幅提升計算效率。然而，任何微小的溫度波動或電磁干擾，都會導致量子比特“退相干”，即失去疊加態，計算結果也隨之失效。傳統解決方案是將量子比特嵌入金剛石或碳化硅等無機晶體的“氮空位中心”中，利用晶格結構隔離外界噪聲。但這種方法仍需極低溫環境，且材料成本高昂，難以大規模應用。

研究團隊另辟蹊徑，將目光投向了有機聚合物。這類材料通常柔軟易加工，但分子間的相互作用容易引發噪聲，加速退相干。為了克服這一難題，團隊設計了一種“供體-受體（DA）型”聚合物結構。供體單元選用“二噻吩并噻唑”，受體單元選用“噻二唑并喹喔啉”，兩者交替連接，形成電子自由流動的通道。這種結構模擬了金剛石NV中心的電子特性，為量子比特的自旋狀態提供了穩定基礎。

為了驗證設計效果，團隊進行了電子順磁共振（EPR）波譜實驗。結果顯示，在室溫下，聚合物的自旋晶格弛豫時間（T1，代表量子比特壽命）約為44微秒，相位記憶時間（Tm，代表相干時間）約為0.3微秒。雖然這一相干時間仍需提升，但已超過許多合成分子基材料，且是在固態下單獨實現的，無需稀釋在特殊基質中。團隊還通過微波脈沖實驗觀察到了“拉比振蕩”，證明了量子比特狀態可被外部輻射自由操控，為量子門操作奠定了基礎。

除了量子計算，這種聚合物還展現出其他潛力。實驗表明，它可作為p型半導體，并穩定用于場效應晶體管（FET），空穴遷移率達到有機半導體的標準值。這意味著，傳統硅基電子電路與基于自旋的量子功能可能集成在同一材料中，為混合設備開發提供新思路。電子自旋對磁場的高度敏感性，使其可用于制造室溫下運行的高靈敏度傳感器，應用于醫療診斷或化學反應監測等領域。

盡管這一成果為量子技術走出實驗室指明了方向，但挑戰依然存在。當前室溫下的相干時間仍需提升數個數量級，才能實現有意義的量子計算。研究團隊承認，電子自旋間的相互作用是限制因素之一，未來將通過優化供體-受體組合和分子結構，進一步延長相干時間。不過，這項研究的意義已不容忽視——它首次證明，通過化學設計，量子相干性可在常溫常壓下“嵌入”固體材料，為量子計算機的實用化開辟了新路徑。

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