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World File Search System电子自旋
从跟踪原子到利用电子自旋
maggie@lingenfelder-lab.com从简单的愿望到“看到原子”到探索绿色能源应用的电子旋转的旅程，这反映了我们对过去几十年来原子和亚原子世界的理解时的深刻进步。这些进步不仅在智力上令人满意，而且具有应对全球挑战的潜力，例如可持续能源。在我们的研究小组中，我们通过创建自定义的纳米结构材料来应对可持续能源的挑战，从而从自然界（生物仿生）中汲取灵感，从而整合了界面化学和表面物理学的基本原理。在此演示文稿中，我在光合作用过程中汲取灵感，以设计驱动电催化能量转换过程的土壤丰富的材料：例如CO 2电源和水分裂。使用尖端扫描探针显微镜使我们能够通过原位成像可视化纳米级的动态电化学过程[1]。我们收集的详细原子尺度信息激发了我们的进一步探索：使用利用电子旋转来增强电催化转换过程的非常规策略[2-4]。这种创新的方法使我们能够开发出最先进的材料，这些材料的电催化效率高两到三倍[3-4]。参考文献[1] Hai Phan，T.，Banjac，K.，Cometto，F。等。在Operando CO2电气中，电势控制的Cu-nanocuboid和石墨烯覆盖的Cu-nanocuboid的出现。纳米莱特2021 21，2059-2065。[2] Vensaus，P.，Liang，Y.，Ansermet，JP。等。通过磁场对质量传输的影响增强电催化。自然社区。2024，15，2867。[3] Liang，Y.，Banjac，K.，Martin，K。等。通过手性分子官能化杂交2D电极的手性分子官能化增强了电催化氧的进化。自然公共2022，13，3356。[4] Y. Liang，M。Lihter，M。Lingenfelder，用于清洁能量的电催化中的自旋控制。isr。J. Chem。 2022，62，e202200052。J. Chem。2022，62，e202200052。
使用扫描隧道显微镜（STM）：传感器和Qubits的单个自旋电子自旋共振（ESR）。
在2015年[1]实现了从单个原子中对单个原子的电子自旋共振信号的观察，并且自那时以来已经取得了相当大的进步。（有关其他参考，请参见推荐论文）。最近推荐的两篇论文报告特别引人注目的进展，这应该引起凝结问题以及量子计算社区的关注。在第一张纸中，携带s = 1/2的分子连接到STM尖端，并观察到尖锐的电子自旋共振。该共振的移位可用于感应很小的磁场和电场，并具有易A的尺度空间分辨率。第二篇论文报告了位于表面上的传感器原子的ESR信号的使用，以询问其他两个S = 1/2原子，这些原子在Qubits上使用。使用脉冲场技术证明了显着的连贯性能和两个量子操作。本评论将主要集中在第一篇论文上，最后讨论了第二篇论文。在单个离子水平上显示ESR的知名系统是Diamond的NV中心。[2] NV中心的非常狭窄的共振可用于测量局部磁场，向下降低Micro-Tesla Hz 1/2。通过将钻石放在AFM尖端上，也可以进行扫描。但是，由于NV中心位于与表面的数十纳米尺度上，因此这限制了NV中心与其靶标的距离，因此将空间分辨率与数十纳米的纳米分辨率限制。另一方面，尖端的垂直位置可以变化，这增加了测量磁性
室温下产生稳定的量子比特研究人员观察到分子系统中具有四个电子自旋的五重态的量子相干性
日本福冈——在《Science Advances》杂志上发表的一项研究中，九州大学工程学院副教授柳井伸宏领导的一组研究人员与九州大学宫田清副教授和神户大学小堀康弘教授合作，报告称他们已经在室温下实现了量子相干性：量子系统能够随着时间的推移保持明确状态而不受周围干扰影响的能力。这一突破是通过将发色团（一种吸收光并发射颜色的染料分子）嵌入金属有机骨架（MOF，一种由金属离子和有机配体组成的纳米多孔晶体材料）中实现的。他们的发现标志着量子计算和传感技术的重大进步。虽然量子计算被定位为计算技术的下一个重大进步，但量子传感是一种利用量子比特（经典计算中比特的量子类似物，可以存在于 0 和 1 的叠加中）量子力学特性的传感技术。可以采用各种系统来实现量子比特，其中一种方法是利用电子的固有自旋（与粒子磁矩相关的量子特性）。电子有两种自旋状态：自旋向上和自旋向下。基于自旋的量子比特可以存在于这些状态的组合中，并且可以“纠缠”，从而允许从另一个量子比特推断出一个量子比特的状态。通过利用量子纠缠态对环境噪声极其敏感的特性，量子传感技术有望实现比传统技术更高的分辨率和灵敏度的传感。然而，到目前为止，将四个电子纠缠并使其对外部分子作出反应，即使用纳米多孔 MOF 实现量子传感一直具有挑战性。值得注意的是，发色团可用于在室温下通过称为单重态裂变的过程激发具有所需电子自旋的电子。然而，在室温下会导致存储在量子比特中的量子信息失去量子叠加和纠缠。因此，通常只有在液氮水平温度下才能实现量子相干性。为了抑制分子运动并实现室温量子相干性，研究人员在 UiO 型 MOF 中引入了基于并五苯（由五个线性稠合苯环组成的多环芳烃）的发色团。“这项研究中的 MOF 是一种独特的系统，可以密集地积累发色团。此外，晶体内的纳米孔使发色团能够旋转，但角度非常受限，”Yanai 说道。
基于电路的电子自旋量子比特紧凑模型
摘要：如今，硅片上的电子自旋量子比特似乎是制造未来量子微处理器的一个非常有前途的物理平台。为了打破量子霸权障碍，数千个量子比特应该被封装在一个硅片中。微电子工程师目前正在利用当前的 CMOS 技术将操控和读出电子设备设计为低温集成电路。这些电路中有几个是 RFIC，如 VCO、LNA 和混频器。因此，量子比特 CAD 模型的可用性对于正确设计这些低温 RFIC 起着核心作用。本文报告了一种用于 CAD 应用的基于电路的电子自旋量子比特紧凑模型。本文对所提出的模型进行了描述和测试，并强调和讨论了所面临的局限性。
自旋状态制备与测量之间的时间延迟对共价供体 - 受体 - 激进系统中电子自旋传送的影响
摘要：我们最近证明了在共价供体 - 受体 - 自由基（d - a -r•）系统中电子自旋状态的光电量量子传送。在R•带有微波脉冲的特定自旋态制备后，对两步电子传输产生d• + - a-r - 的光激发，其中r•上的旋转状态被传送到d• +。这项研究研究了自旋状态制备和光启发性传送之间变化时间（τd）的影响。使用脉冲电子顺磁共振光谱法，传送导致的D• +的自旋回波显示了使用密度矩阵模型模拟的阻尼振荡，该振荡是对回声行为的基本了解。远程遗传性计算还显示出振荡行为随τD的函数，这是由于⟨s x x和s y⟩之间的相位因子的积累。理解分子系统中量子传送固有的实验参数对于利用这种现象的量子信息应用至关重要。
金属离子控制电子基态中光诱导电子自旋极化。
摘要：通过改变金属离子的性质可以控制发色团-自由基复合物电子基态 ( 2 S 0 /D 0 ) 中光诱导电子自旋极化 (ESP) 的符号和强度。该复合物由一个有机自由基 (硝基氮氧化物，NN) 通过一个间位亚苯基桥与一个供体受体发色团共价连接而成，( bpy)M(CAT- m -Ph-NN ) ( 1 ) (bpy = 4,4'-二叔丁基-2,2'-联吡啶，M = Pd II ( 1-Pd) 或 Pt II ( 1-Pt )，CAT = 3-叔丁基儿茶酚酸酯，m -Ph = 间位亚苯基)。在这两种复合物中，可见光的光激发都会产生初始交换耦合、3 自旋（bpy•-、CAT+• = 半醌 (SQ) 和 NN•）、电荷分离双线 2 S 1（S = 发色团激发自旋单线态）激发态，该激发态通过 2 T 1（T = 发色团激发自旋三线态）态迅速衰减到基态。该过程预计不会具有自旋选择性，并且对于 1-Pd 仅发现非常弱的发射 ESP。相反，在 1-Pt 中产生强吸收 ESP。推测零场分裂引起的发色 2 T 1 态与 4 T 1 态（1-Pd 和 1-Pt）之间的跃迁，以及自旋轨道引起的 2 T 1 态与 NN 基四重态（1-Pt）之间的跃迁，导致了极化差异。
基于单个电子自旋和量子点中核自旋集合存储器的量子中继器
受量子点核自旋控制和操纵方面的最新进展的启发，这些进展允许将电子自旋态转移到周围的核自旋集合中进行存储，我们提出了一种量子中继器方案，该方案结合了单个量子点电子自旋和核自旋集合，分别用作自旋光子接口和量子存储器。我们考虑使用嵌入高协同性光学微腔中的低应变量子点。量子点核自旋集合允许长期存储纠缠态，并且预示着纠缠交换是使用腔辅助门执行的。我们重点介绍了实现量子中继器方案所需的量子点技术的进步，该方案有望建立长距离高保真纠缠，其分布速率超过光子的直接传输。
主动与准静态噪声解耦的驱动电子自旋量子比特的相干性
半导体量子点中电子自旋量子比特的相干性主要受到低频噪声的影响。在过去十年中，人们一直致力于通过材料工程来减轻这种噪声，从而大大延长了空闲量子比特的自旋失相时间。然而，人们对自旋操纵过程中环境噪声的作用（决定控制保真度）了解甚少。我们展示了一个电子自旋量子比特，其驱动演化中的相干性受到高频电荷噪声的限制，而不是任何半导体器件固有的准静态噪声。我们采用反馈控制技术来主动抑制后者，证明了砷化镓量子点中 π 翻转门保真度高达 99 . 04 0 . 23%。我们表明，驱动演化的相干性受到 Rabi 频率下的纵向噪声的限制，其频谱类似于同位素纯化硅量子比特中观察到的 1 =f 噪声。
搜索镧系元素中的电子自旋纠缠……
材料推动技术发展，例如微电子和纳米技术中的硅基半导体。这些材料虽然本质上是量子的，但它们的宏观特性并不表现出量子世界最引人注目的方面之一：纠缠。因此，半导体中的电子可以在单电子水平上建模。然而，一种新的范式——量子材料——正在出现，在量子计算领域具有潜在的应用潜力。在这些系统中，电子是纠缠的，单电子图像不再是材料特性的准确描述。相反，需要多体、N 电子处理。当前的 QIS 捕获并利用单个原子或离子作为量子比特，即经典比特的量子模拟。由于实验的不完善，需要许多离子才能累积起来代表一个可用的“逻辑”量子比特。捕获这些离子具有挑战性，因此系统既庞大又昂贵。世界上最先进的系统由 IBM 创建，仅捕获 53 个离子。量子材料的一种可能应用是利用物质深处的 N 电子纠缠作为 QIS 应用的资源。材料中的每个纠缠电子都充当量子比特，从而实现更大规模的 QIS。在 Mourigal 实验室博士后 Zhiling Dun 的帮助下，该项目的目标是合成和表征电子自旋可能纠缠的磁性材料。
硅中电子自旋的量子非破坏读出
虽然单次检测硅自旋量子比特现在已成为实验室常规操作，但大规模量子计算设备中量子误差校正的需求需要量子非破坏 (QND) 实现。与传统方法不同，QND 自旋读出对探测的自旋极化施加的干扰最小，因此可以重复进行以消除测量误差。在这里，我们表明，通过探测与量子比特自旋 Ising 耦合的相邻点中的另一个电子自旋，可以以高度非破坏的方式测量硅中的电子自旋量子比特。高非破坏保真度（平均 99%）使单个自旋状态的读出重复超过 20 次，在 1.2 毫秒内产生高达 95% 的总体平均测量保真度。我们进一步证明，我们的重复 QND 读出协议可以实现预期的高保真度（>99.6%）基态制备。我们基于 QND 的测量和准备，由相同类型的第二个量子位介导，将允许在硅中实现具有电子自旋的多种量子信息协议，而不会损害结构的同质性。