NSO展望：碳基自旋材料在量子信息处理中的应用

量子信息处理的基本信息单元是量子位，并要求承载量子位的物理系统能够实现量子叠加态和纠缠态来扩展信息处理的维度。在此过程中，隔离环境扰动尤为重要，例如，量子处理器的主要备选方案之一，基于约瑟夫森效应的超导量子比特就需要mK温度工作条件来大幅度降低环境噪声的影响。作为另一种相对成熟的路径，离子阱则需要通过超高真空和激光冷却来隔离量子体系。与这些相对复杂的物理装置相比，电子自旋活性的碳基材料，如顺磁性富勒烯、金刚石中的NV色心、合成石墨烯自由基等，则得益于¹²C元素的非自旋核特性，可以在一定程度上直接满足环境磁噪声隔离的要求，进而发挥量子功能。

图1 各种碳基自旋材料能够提供的量子相干时间与量子态拓展维度

常规的碳材料具有闭壳层结构，需要我们主动的引入电子自旋。论文讨论了自上而下和自下而上的两种不同的合成策略，并指出了自旋多重度和量子相干时间作为评价材料功能的两个重要指标维度（图1）。当碳基材料引入了自旋中心之后，便可以通过磁共振的方式对其进行自旋量子态的操纵和读取，论文介绍了基于电子顺磁共振（EPR）以及光学探测磁共振（ODMR）手段来读取材料体系的典型方法。最后，作者以温度测量、全固态分子时钟和量子逻辑门等研究进展为实例，展示了碳基自旋材料的应用前景。

总的来说，从自旋中心合成到自旋操纵和应用，碳基自旋材料与一些竞争材料系统相比，在量子信息科技方面表现出了综合优势。随着更多的新型碳材料被不断发现，更高灵敏度的自旋操控装置被稳步改进，可以想见碳基材料中奇特且强大的自旋特性将得到更好的利用。