Спиновые состояния электронов и атомных ядер рассматриваются как вероятные кандидаты в логические состояния квантовых битов (кубитов). Например, избыточный электрон, занимающий размерно-квантованный энергетический уровень в зоне проводимости полупроводниковой квантовой точки («искусственного атома»), может находиться в суперпозиции состояний «спин вверх» и «спин вниз», то есть представлять собой один кубит, а пара таких квантовых точек («искусственная молекула») является уже двухкубитной системой, операции с которой предполагается осуществлять, управляя гейзенберговским обменным взаимодействием между электронами путем воздействия электрических импульсов.

Однако масштабирование таких систем – чрезвычайно сложная задача. На современном технологическом уровне не удается изготавливать массивы из достаточно большого количества квантовых точек, имеющих наперед заданные характеристики. Это ведет к ошибкам при операциях с кубитами и влечет за собой потребность в многочисленных «корректирующих электродах». В этой ситуации разумно вспомнить про естественные (а не искусственные) молекулы и попробовать использовать их в качестве носителей квантовой информации.

(a) Схематическое изображение молекулы полиоксометалата PMo₁₂O₄₀(VO)₂, отделенной диэлектрическим туннельным барьером от металлического проводника и связанной за счет туннельного взаимодействия G с иглой туннельного микроскопа. Левая и правая стрелки обозначают спины, локализованные в пирамидах VO₅ (красный цвет), а центральная стрелка – суммарный спин делокализованных валентных электронов октаэдров MoO₆ (синий цвет)

(b) Атомное строение молекулы PMo₁₂O₄₀(VO)₂. Кружки изображают атомы O (серый цвет), Mo (синий), V (красный), P (желтый)

В работе швейцарских и испанских теоретиков под руководством Д. Лосса (Daniel Loss) (J. Lehmann et al., Nature Nanotechnology 2, 312 (2007)) электронные и магнитные свойства молекулы полиоксометалата PMo₁₂O₄₀(VO)₂ проанализированы с точки зрения перспективы ее использования как элементарной двухкубитной системы. В этой молекуле (см. рис.) два электронных спина-кубита локализованы на ванадиевых группах (по одному на каждой), разделенных центральным ядром Mo₁₂O₄₀, выполняющим функцию резервуара для делокализованных электронов, изменяя число которых (например, за счет их туннелирования в иглу туннельного микроскопа или из нее) можно регулировать взаимодействие между спинами-кубитами и выполнять двухкубитные операции. Расчеты показали, что максимальная точность (fidelity) одной операции достигает 0.99. Для «считывания» результатов операции предложено измерять туннельный ток через сердцевину молекулы (если результирующее спиновое состояние является суперпозиционным, то необходимо выполнять усреднение по многим измерениям). Авторы считают, что масштабирование таких молекулярных кубитов вполне по силам современной нанотехнологии, хотя, конечно, для осуществления многокубитных операций вместо туннельного микроскопа при этом придется задействовать другие методики, некоторые из которых обсуждаются в статье. Ну, а подобрать оптимальные молекулы-«кубитоносители» должны помочь химики.