量子计算机依照量子力学的奇特规则运行，有朝一日可能彻底改变世界。 一旦我们成功制造出强大的工作机器，它将能够解决一些如今的计算机需要数百万年才能完成计算的问题。
计算机使用比特（0或1）对信息进行编码。量子计算机则使用“量子比特”——它可以取零到一之间的任意值——从而具备极强的处理能力。然而，量子系统以极其脆弱著称。尽管在一些拟议应用方面，已经取得了制造工作机器的进展，但这项任务依然困难。不过，一种被称为分子自旋电子学的新方法带来了新的希望。
1997年，理论物理学家丹尼尔·洛斯（Daniel Loss）和大卫·迪文琴佐（David DiVincenzo）提出了创建量子计算机的总体必要规则。普通电子设备使用电荷来以零和一的形式表示信息，而量子计算机通常使用电子的“自旋”状态来表示量子比特。
自旋是一种基本物理量，我们通过量子力学了解到它。遗憾的是，它在日常经验中并没有精确的对应物，尽管有时会用行星绕自身轴自转来作类比。
我们确实知道，电子会沿两个不同方向自旋，即“状态”（称为上和下）。根据量子力学，材料中的每个电子都以这些状态的组合（叠加态）自旋——某一部分朝上，某一部分朝下。这就是为什么它能够获得如此多的取值，而不仅仅是0或1。
洛斯和迪文琴佐提出的构建量子计算机的五项要求中，包括系统可扩展的可能性。量子比特越多，能力越强。另一项要求是，信息一旦编码后，能够在合理的时间内得以保持；其余要求则涉及物理系统的初始化、操控和读取。
虽然最初设想的是基于半导体微粒中电子自旋的量子计算机，但该方案如今已在多种物理系统中得以实现，包括囚禁离子、超导体和金刚石。
但遗憾的是，这些系统运行时需要近乎完美的真空、极低的温度以及完全无干扰的环境。它们也很难扩展规模。
分子自旋电子学
自旋电子学是一种基于自旋而非电荷的电子学形式。自旋可以被测量，因为它会产生微弱的磁场。这项技术通常利用半导体来操控和测量自旋，已经产生了巨大影响，推动了硬盘信息存储的改进。
如今，科学家们认识到，自旋电子学也可以在含有碳原子环的有机分子中实现。由此，它与另一个称为分子电子学的研究领域联系起来，后者旨在利用单个分子和分子薄膜构建电子器件。
这种结合已被证明是有效的。通过精确控制和操控分子内电子的自旋，我们实际上可以进行量子计算。在分子上制备和读取电子自旋状态，是通过用电场或磁场对其施加作用来实现的。
基于碳的有机分子和聚合物半导体也满足易于扩展规模的标准。它们借助形成分子框架的能力来实现这一点，分子量子比特在框架内彼此紧密相邻。单个分子的微小尺寸自然有利于将大量分子集成在一块小芯片上。
此外，有机材料对量子自旋的干扰比其他电子材料更小。这是因为它们由碳和氢等相对较轻的元素组成，与自旋电子的相互作用较弱。这避免了其自旋轻易翻转状态，使其能够保持较长时间，最长可达数个微秒。
在一种螺旋桨形分子中，这一持续时间甚至可达一毫秒。这些相对较长的时间足以完成操作，这是另一个重要优势。
仍存在的挑战
但我们仍有许多有待了解之处。除了理解是什么导致有机分子上自旋寿命延长之外，还需要掌握这些自旋在有机电路中能够传输多远，这对于构建高效的自旋电子电路而言是必要的。下图展示了我们为实现这一目标而构思的一些探索性有机自旋电子器件概念。
要让此类器件高效运行，同样面临重大挑战。在有机材料中携带自旋的带电电子在移动时会不断在分子之间跃迁。遗憾的是，这种跃迁活动会产生电噪声，使得利用传统架构以电学方式测量微小的自旋电流信号变得困难。尽管如此，一种相对较新的技术，称为自旋泵浦，可能适用于在有机材料中以低噪声产生自旋电流。
另一个问题是，要使有机分子成为未来量子技术的重要候选材料，需要能够对单个分子或少量分子上的自旋进行相干控制和测量。这一重大挑战目前正取得巨大进展。例如，一种名为“格罗弗搜索算法”的量子计算机简单程序最近已在单个磁性分子上得以实现。众所周知，该算法能显著缩短在无序数据库中进行搜索所需的时间。
另一项研究报告显示，一组分子已成功集成到混合超导器件中。它为将分子自旋量子比特与现有量子架构相结合提供了概念验证。
仍有大量工作有待完成，但就目前的发展态势而言，分子自旋系统正迅速在量子技术中找到多种新应用。凭借体积小和自旋寿命长的优势，它们终将在量子技术路线图中占据一席之地，只是时间问题。
