The Innovation | 稳定自由基：量子信息学新视角

上世纪末，科研人员开始研究稳定自由基的自旋动力学性质，开发了其在结构生物学和动态核极化领域的应用。近年来，随着量子计算、量子通信、量子传感等量子信息科技的兴起，顺磁分子作为量子比特的潜力已引起研究者的广泛关注，但稳定自由基在量子信息学领域的应用仍有待探索。我们希望通过这篇综述唤起大家对稳定自由基量子比特的重视，从而共同推动分子量子信息学的发展。

导 读

稳定的有机自由基以其较弱的自旋轨道耦合和原子级结构设计，表现出有异于超导电路、离子阱、固态缺陷等量子比特体系的室温量子相干性和化学调控性，有望推动量子计算、量子通信和量子传感等革命性技术的室温应用（图1）。稳定自由基量子比特的结构多样性使其适应溶液、固体表面、微纳器件等多种复杂的环境，为量子信息科技的进一步发展增添了无限可能。

稳定自由基量子比特的性能指标主要有自旋-晶格弛豫时间（T1）和退相干时间（T2，也称为相位记忆时间Tm），通常由脉冲电子顺磁共振波谱仪（pulse EPR）进行测试。T1是自旋通过与声子交换能量，从激发态弛豫回基态的时间，涉及的弛豫机制包括直接过程、拉曼过程、Orbach过程、局域模过程、热激活过程以及交叉弛豫过程等。Tm的影响因素比较复杂，通常涉及环境中的磁噪声，在自由基体系中，最主要的影响因素为核自旋（1H、13C、19F、31P等）。前人研究表明，分子结构、温度、溶剂、拉莫尔进动频率、自由基浓度以及脉冲序列均影响T1和Tm。因此，我们可以通过提高结构刚性、减少核自旋、消除可旋转官能团、降低温度、降低自由基浓度、使用长脉冲和应用动力学解耦序列等方法来提高T1和Tm，发展高性能稳定自由基量子比特。

图1 稳定有机自由基量子比特及其在量子信息学中的应用

常见的稳定自由基主要包括三苯甲基自由基、氮氧自由基、半醌自由基、大环共轭自由基以及石墨烯纳米带和碳纳米管中的自由基等（图2）。将稳定自由基量子比特整合于固态材料中，结合其室温量子相干性和化学调控性，可为量子信息学与有机电子学、自旋电子学、光电子学及化学传感等领域的技术融合提供可能性。尽管稳定自由基在聚合物、金属有机框架、薄膜和自组装单分子膜等固态结构中已得到广泛研究，但对其在固态集成条件下自旋动力学性质的探索仍然有限。相较于小分子，聚合物和框架材料具有柔性分子骨架和模块化结构，其特殊的声子模式和自由基空间分布均可影响自旋-晶格弛豫和退相干过程；薄膜和自组装单分子膜的基底则通过提供特定的声子、电学和磁学环境，对自由基的自旋动力学性质产生影响。因此，深入探索稳定自由基在固态材料中自旋动力学性质的构效关系以及优化其在实际应用中的性能表现，对于实现分子量子信息科技具有重要意义。

图2 常见的稳定有机自由基: 三苯甲基自由基，氮氧自由基，半醌自由基，大环共轭自由基，石墨烯纳米带以及碳纳米管

稳定自由基量子比特在量子计算、量子存储、量子传感领域已表现出独特的应用潜力。通过精准合成，可将两个稳定自由基集成到同一分子中，从而利用自旋-自旋相互作用实现CNOT量子逻辑门。同时，结合稳定自由基与微波腔构造复合系统，可实现量子信息的存储和提取。此外，利用稳定自由基与核自旋间的超精细相互作用，可实现室温溶液相、化学特异性量子传感，并且有望进行对磁场、温度和频率等物理量的量子精密测量。这些进展为分子量子信息科技提供了研发基础。

图3 自由基量子比特的存在形式及其在量子信息学中的重要应用

引用格式：Zhou A., Sun Z., and Sun L. (2024). Stable organic radical qubits and their applications in quantum information science. The Innovation 5(5), 100662.

作者简介

孙 磊，西湖大学化学系和物理系助理教授，2017年在麻省理工学院化学系获无机化学博士学位。2017-2021年先后在美国西北大学化学系和阿贡国家实验室纳米材料中心从事博士后研究。同时，他在佐治亚理工学院计算机学院攻读机器学习，于2022年获得计算机科学硕士学位。2021年11月加入西湖大学理学院，建立分子量子器件与量子信息实验室。

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