kvantdatorer, som fungerar enligt kvantmekanikens konstiga regler, kan en dag revolutionera världen. När vi väl har lyckats bygga en kraftfull arbetsmaskin, det kommer att kunna lösa vissa problem som tar dagens datorer miljoner år att beräkna.

Datorer använder bitar (noll eller en) för att koda information. Kvantdatorer använder "qubits" - som kan ta vilket värde som helst mellan noll och ett - vilket ger dem enorm processorkraft. Men kvantsystem är notoriskt ömtåliga, och även om framsteg har gjorts för att bygga arbetsmaskiner för vissa föreslagna tillämpningar, uppgiften förblir svår. Men ett nytt tillvägagångssätt, dubbad molekylär spintronik, ger nytt hopp.

1997, teoretiska fysiker Daniel Loss och David DiVincenzo fastställde de allmänna reglerna som är nödvändiga för att skapa en kvantdator. Medan normala elektroniska enheter använder elektrisk laddning för att representera information som nollor och ettor, kvantdatorer använder ofta elektronspintillstånd för att representera qubits.

Spinn är en grundläggande storhet som vi har lärt oss om genom kvantmekaniken. Tyvärr, det saknar en korrekt motsvarighet i vardagsupplevelsen, även om en analogi av en planet som snurrar på sin egen axel ibland används.

Vi vet att elektroner snurrar i två olika riktningar eller "tillstånd" (dubbat upp och ner). Enligt kvantmekaniken, varje elektron i ett material snurrar i en kombination (superposition) av dessa tillstånd – en viss bit upp och en viss bit ner. Det är så du kan få så många värden snarare än bara noll eller ett.

Bland de fem kraven för att bygga en kvantdator utvecklad av Loss och DiVincenzo fanns möjligheten att skala upp systemet. Fler qubits betyder mer kraft. En annan fick information att överleva under en rimlig tid när den väl kodats, medan andra gällde initieringen, manipulering och utläsning av det fysiska systemet.

Även om den ursprungligen var tänkt för en kvantdator baserad på elektronsnurr i små partiklar av halvledare, förslaget har nu implementerats i många fysiska system, inklusive fångade joner, supraledare och diamanter.

Men, tyvärr, dessa kräver ett nästan perfekt vakuum, extremt låga temperaturer och inga driftstörningar. De är också svåra att skala upp.

Molekylär spintronik

Spintronics är en form av elektronik baserad på spin snarare än laddning. Spinn kan mätas eftersom den genererar små magnetfält. Denna teknik, som ofta använder halvledare för att manipulera och mäta spin, har redan haft en enorm inverkan på att förbättra hårddiskens informationslagring.

Nu, forskare inser att spintronik också kan göras i organiska molekyler som innehåller ringar av kolatomer. Och det förbinder det med ett helt annat forskningsfält som kallas molekylär elektronik, som syftar till att bygga elektroniska enheter från enskilda molekyler och filmer av molekyler.

Kombinationen har visat sig användbar. Genom att noggrant kontrollera och manipulera en elektrons spinn i en molekyl, det visar sig att vi faktiskt kan göra kvantberäkningar. Beredningen och avläsningen av elektronens spinntillstånd på molekyler görs genom att zappa dem med elektriska eller magnetiska fält.

Kolbaserade organiska molekyler och polymerhalvledare uppfyller också kriterierna för att vara lätta att skala upp. De gör detta genom en förmåga att bilda molekylära ramverk, inom vilka molekylära qubits sitter i nära anslutning till varandra. Den lilla storleken på en enda molekyl gynnar automatiskt att ett stort antal av dem packas ihop på ett litet chip.

Dessutom, organiskt material stör kvantspinn mindre än andra elektroniska material gör. Det beror på att de är sammansatta av relativt lätta element som kol och väte, vilket resulterar i svagare interaktioner med de snurrande elektronerna. Detta undviker att dess snurr lätt vänder, vilket gör att de bevaras under långa perioder på upp till flera mikrosekunder.

I en propellerformad molekyl, denna varaktighet kan till och med vara upp till en millisekund. Dessa relativt långa tider är tillräckliga för att operationer ska kunna utföras - en annan stor fördel.

Återstående utmaningar

Men vi har fortfarande mycket kvar att lära. Förutom att förstå vad som orsakar förlängda spin-livslängder på organiska molekyler, ett grepp om hur långt dessa snurr kan färdas inom organiska kretsar är nödvändigt för att bygga effektiva spinnbaserade elektroniska kretsar. Figuren nedan visar några av våra koncept för utforskande organiska spintroniska enheter mot detta mål.

Det finns också stora utmaningar med att få sådana apparater att fungera effektivt. De laddade elektronerna som bär spinn i ett organiskt material hoppar ständigt från molekyl till molekyl när de rör sig. Denna hoppaktivitet är tyvärr en källa till elektriskt brus, vilket gör det svårt att elektriskt mäta små spinnströmsignaturer med konventionella arkitekturer. Som sagt, en relativt ny teknik som kallas spinnpumpning kan visa sig vara lämplig för att generera spinnströmmar med lågt brus i organiska material.

Ett annat problem när man försöker göra organiska molekyler till seriösa kandidater inom framtida kvantteknologier är förmågan att konsekvent kontrollera och mäta spinn på enstaka molekyler, eller på ett litet antal molekyler. Denna stora utmaning ser för närvarande enorma framsteg. Till exempel, ett enkelt program för en kvantdator som kallas "Grovers sökalgoritm" implementerades nyligen på en enda magnetisk molekyl. Denna algoritm är känd för att avsevärt minska den tid som krävs för att utföra en sökning på en osorterad databas.

I en annan rapport, en ensemble av molekyler integrerades framgångsrikt i en hybrid supraledande enhet. Det gav ett proof-of-concept i att kombinera molekylära spin-qubits med befintliga kvantarkitekturer.

Mycket återstår att göra, men i det nuvarande tillståndet, molekylära spinnsystem hittar snabbt flera nya tillämpningar inom kvantteknik. Med fördelen av liten storlek och långlivade snurr, det är bara en tidsfråga innan de befäster sin plats i färdplanen för kvantteknik.

Den här artikeln är återpublicerad från The Conversation under en Creative Commons-licens. Läs originalartikeln.