科学家们正在激烈地竞争，将一个世纪前关于量子领域的违反直觉的发现转化为未来的技术。这些技术的基础是量子比特。有几种不同的类型正在开发中，包括利用金刚石和硅对称结构中的缺陷。它们也许有一天会改变计算机技术，加速药物研发，产生不可破解的网络等等。
美国能源部(DOE)阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory)的科学家与几所大学的研究人员合作，发现了一种将自旋电子作为量子比特引入宿主纳米材料的方法。他们的测试结果揭示了创纪录的长相干时间——这是任何实际量子比特的关键属性，因为它定义了在量子比特的生命周期内可以执行的量子操作的数量。
电子的性质类似于陀螺的自旋，但有一个关键的区别。当陀螺旋转到位时，它们可以向右或向左旋转。电子可以表现得好像它们同时在两个方向上旋转。这是一种被称为叠加的量子特征。同时处于两种状态使电子成为自旋量子比特的良好候选者。自旋量子比特需要一种合适的材料来容纳、控制和检测它们，以及读取其中的信息。考虑到这一点，该团队选择研究一种仅由碳原子制成的纳米材料，具有空心管状，厚度仅为1纳米(十亿分之一米)，大约比人类头发的宽度细10万倍。
“这些碳纳米管通常只有几微米长，”马学丹说。“它们大多没有波动的核自旋，这会干扰电子的自旋并减少其相干时间。”
马是阿贡纳米材料中心(CNM)的科学家，该中心是美国能源部科学办公室的用户设施。她还在芝加哥大学普利兹克分子工程学院和西北大学西北阿贡科学与工程研究所任职。
该团队面临的问题是碳纳米管本身无法在一个位置保持一个旋转电子。它在纳米管中移动。过去的研究人员将电极插入纳米之间，以限制旋转电子。但这种安排笨重、昂贵，而且难以扩大规模。
目前的团队设计了一种方法来消除对电极或其他纳米级设备的限制电子的需求。相反，它们在化学上改变了碳纳米管中的原子结构，从而将旋转电子困在一个位置。
化学家陈佳祥说:“令我们非常满意的是，我们的化学修饰方法在碳纳米管中创造了一个非常稳定的自旋量子比特。”Chen是CNM的成员，也是西北大学分子量子转导中心的博士后学者。
该团队的测试结果显示，与其他方法制造的系统相比，相干时间创纪录地长——10微秒。
由于其体积小，该团队的自旋量子比特平台可以更容易地集成到量子设备中，并允许多种可能的方式来读取量子信息。此外，碳管非常灵活，它们的振动可以用来存储来自量子比特的信息。
马说:“从碳纳米管中的自旋量子比特到实用技术还有很长的路要走，但这是朝着这个方向迈出的一大步。”
该团队的研究结果发表在《自然通讯》杂志上。
