长期以来，量子计算机被视为科技领域的“未来之星”，其并行计算能力远超传统计算机。然而，一个难以突破的瓶颈始终横亘在前——量子比特必须在接近绝对零度（-273.15°C）的极端低温下运行，否则其脆弱的量子叠加态会因环境扰动而崩溃。这一限制让量子计算机始终停留在实验室阶段，难以走向实际应用。如今，一项来自佐治亚理工学院和阿拉巴马大学的研究成果，可能为这一困境带来转机。
研究团队在《先进材料》期刊上发表的论文中，介绍了一种新型聚合物材料。这种材料以“共轭聚合物”为基础，通过分子层面的精妙设计，实现了在室温（约25°C）下稳定存储和操控量子比特信息的能力。这一突破意味着，量子计算机或许无需再依赖庞大的制冷设备，未来有望像普通电子设备一样，在常规环境中运行。
量子比特的“叠加态”是其核心优势，但也是其最大弱点。这种状态允许量子比特同时表示“0”和“1”，从而大幅提升计算效率。然而，任何微小的温度波动或电磁干扰，都会导致量子比特“退相干”，即失去叠加态，计算结果也随之失效。传统解决方案是将量子比特嵌入金刚石或碳化硅等无机晶体的“氮空位中心”中，利用晶格结构隔离外界噪声。但这种方法仍需极低温环境，且材料成本高昂，难以大规模应用。
研究团队另辟蹊径，将目光投向了有机聚合物。这类材料通常柔软易加工，但分子间的相互作用容易引发噪声，加速退相干。为了克服这一难题，团队设计了一种“供体-受体（DA）型”聚合物结构。供体单元选用“二噻吩并噻唑”，受体单元选用“噻二唑并喹喔啉”，两者交替连接，形成电子自由流动的通道。这种结构模拟了金刚石NV中心的电子特性，为量子比特的自旋状态提供了稳定基础。
为了验证设计效果，团队进行了电子顺磁共振（EPR）波谱实验。结果显示，在室温下，聚合物的自旋晶格弛豫时间（T1，代表量子比特寿命）约为44微秒，相位记忆时间（Tm，代表相干时间）约为0.3微秒。虽然这一相干时间仍需提升，但已超过许多合成分子基材料，且是在固态下单独实现的，无需稀释在特殊基质中。团队还通过微波脉冲实验观察到了“拉比振荡”，证明了量子比特状态可被外部辐射自由操控，为量子门操作奠定了基础。
除了量子计算，这种聚合物还展现出其他潜力。实验表明，它可作为p型半导体，并稳定用于场效应晶体管（FET），空穴迁移率达到有机半导体的标准值。这意味着，传统硅基电子电路与基于自旋的量子功能可能集成在同一材料中，为混合设备开发提供新思路。电子自旋对磁场的高度敏感性，使其可用于制造室温下运行的高灵敏度传感器，应用于医疗诊断或化学反应监测等领域。
尽管这一成果为量子技术走出实验室指明了方向，但挑战依然存在。当前室温下的相干时间仍需提升数个数量级，才能实现有意义的量子计算。研究团队承认，电子自旋间的相互作用是限制因素之一，未来将通过优化供体-受体组合和分子结构，进一步延长相干时间。不过，这项研究的意义已不容忽视——它首次证明，通过化学设计，量子相干性可在常温常压下“嵌入”固体材料，为量子计算机的实用化开辟了新路径。
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