量子计算机的基础：《JACS》报道大型纳米粒子的合成方法

大家都知道，常规计算机的存储是二进制形式，也就是1或0，而量子计算机的存储依靠量子位（quantum bits or qubits），量子位可以使用一个分子的许多不同状态（远不止1或0这两种状态）来存储信息，这样一来，量子计算机就具有了惊人的计算能力，可以实现更大规模或更快速度的计算。不过，至少在目前，量子计算机与现实应用还有一定距离，最重要的原因就是量子位材料的限制。

常规计算机的计算单元CPU。图片来源：zingmit.com

“大型纳米粒子”这个名词可能听起来有些自相矛盾，但它却很有可能成为未来超高速量子计算机（quantum computers）的量子位基础材料，正受化学家的追捧。然而，具有均一、可预测结构的纳米粒子很难制备，科学家们一直在努力合成大于4纳米的纳米粒子，但结果通常是各种大小分子的“大杂烩”。

现在，英国曼彻斯特大学Richard E. P. Winpenny教授领导的研究团队已经开发出一种方法，可以合成多个批次相同的8纳米大小“笼型”纳米粒子，科学家们相信它们有朝一日将成为量子计算机的基础。

在先前的工作中，Winpenny的小组曾开发出一种“量子位”分子——包括铬和镍的八元杂金属环。但仅有一个量子位并不够，因为量子计算要求可以同时进行多项计算（量子计算的主要优点），这需要很多相互关联的量子位。因此，研究人员尝试把多个这样的杂环分子“缝合”起来，以形成一个单独的大型纳米结构。

研究人员首先把一个Y形分子未分叉的一端连到每个环上，然后，他们加入钯，引发Y形分子分叉的一端（包括两个远远隔开的吡啶基）与钯形成配合物，最后得到一个中心处有12个钯离子的“笼型”分子。该分子（M₁₂C₂₄, M = palladium ion, C = Cr₇Ni-Py₂）的“外壳”包括24个铬镍八元环，相当于24个量子位。

为了研究该新分子的计算潜能，研究人员采用脉冲电子顺磁共振光谱法测量了一个名为“相位记忆”的参数，较长的相位记忆意味着分子的量子态更稳定，可以更久地保留信息，也就意味着具有更好的计算潜力。该24环分子的相位记忆为350纳秒，略低于单个环分子的410纳秒，这表明尽管该分子更复杂，但它的量子态却保持稳定。“我没想到结果是这样的好”，Winpenny说。

“他们成功构建了8纳米大小的纳米粒子，这太棒了”，东京大学的Makoto Fujita说，特别是那些纳米粒子都有相同的尺寸而且具有相同的功能。然而，Makoto Fujita认为还需要做更多的工作以实现实用的量子计算。 Winpenny也同意这一观点，并正在尝试构建48环的纳米笼分子，他的目标是一个分子内包括70到100个量子位，“到那时，就可以开始做一些严肃的事情了”，他说。

1. http://cen.acs.org/articles/93/web/2015/06/Building-Bigger-Nanocage.html

2. http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.5b04664