量子设备和使用方法

技术领域

本公开总体涉及用于例如托管量子比特的组合物和设备以及使用方法。

背景技术

量子比特是经典比特的量子力学模拟并且是量子设备诸如量子计算机和传感器的组成部分。量子设备利用量子力学现象诸如纠缠和叠加来例如操纵数据。纠缠是指多个量子变量无论在空间或时间上的距离如何都具有相关状态的现象，而叠加是指量子变量可以同时以多个不同状态存在的现象。目前用于创建量子比特的技术包括超导量子比特、半导体量子比特、俘获离子量子比特、光子量子比特、中性原子量子比特和拓扑量子比特。

然而，此类技术一直无法创建能够执行实际感兴趣的任务的可扩展的完全纠错量子设备或计算机。各种因素在实现此类量子设备和量子计算机方面起作用。例如，为了将原子保持在叠加和相干状态，通常将量子设备和计算机冷却到约绝对零并防止外部扰动。另外，当前的系统受到两个量子比特门错误率的限制，并且扩展取决于用较大的量子比特系统获得低错误率的难度。因此，尚不清楚上述技术是否可以扩展到大型纠错量子设备和计算机所需的水平。

因此，需要例如用于托管量子比特的新组合物和设备以及使用方法。

发明内容

本公开总体涉及用于例如托管量子比特的组合物和设备以及使用方法。

在一个方面，提供了一种量子设备。所述量子设备包括组合物，所述组合物包含：包含纳米管的第一组分；以及包含化合物的第二组分，所述化合物包含金属结合的环状四吡咯、其离子或它们的组合。

在另一个方面，提供了一种用于读取量子比特、写入量子比特或两者的设备。所述设备包括栅电极、设置在所述栅电极的至少一部分上方的衬底以及设置在所述衬底上方的源电极和漏电极。所述设备还包括设置在所述衬底上方的组合物，所述组合物的至少一部分设置在所述源电极与所述漏电极之间，所述组合物包含：包含纳米管的第一组分；以及包含化合物的第二组分，所述化合物包含金属结合的环状四吡咯、其离子或它们的组合。

在另一个方面，提供了一种用于控制量子自旋的方法。所述方法包括将组合物冷却至约1K或更高的温度，所述组合物包含：包含纳米管的第一组分；以及包含化合物的第二组分，所述化合物包含金属结合的环状四吡咯、其离子或它们的组合。所述方还包括向所述组合物施加电压、向所述组合物引入磁场以及向所述组合物引入微波辐射。

附图说明

为了使得本公开的上述特征的方式能够被详细理解，可通过参考各个方面来对上文简要概述的本公开进行更具体描述，该方面中的一些如附图中所示。然而，应当注意，附图仅示出了示例性方面，因此不应被认为是对其范围的限制，因为本公开可允许其他同样有效的方面。

图1是根据本公开的至少一个方面的被示为示例性分子结构的用于托管量子比特的示例性组合物的图示。

图2A是根据本公开的至少一个方面的可以形成图1的示例性组合物的一部分的示例性纳米管的图示。

图2B是根据本公开的至少一个方面的可以形成图1的示例性组合物的一部分的示例性金属结合的环状四吡咯的图示。

图2C是根据本公开的至少一个方面的具有设置在纳米管内的单个金属结合的环状四吡咯的示例性组合物的图示。

图2D是根据本公开的至少一个方面的具有设置在纳米管内的多个金属结合的环状四吡咯的示例性组合物的图示。

图3示出了根据本公开的至少一个方面结合有本文所述的组合物的示例性量子设备。

图4是示出根据本公开的至少一个方面的用于控制电子和/或量子比特的自旋、电荷或两者的示例性方法的选定操作的流程图。

图5是根据本公开的至少一个方面的示例性量子计算设备的框图。

为了便于理解，在可能的情况下，使用相同的附图标号来表示附图共有的相同元件。可以设想，一个示例的元件和特征可有利地结合在其他示例中而无需进一步详述。

具体实施方式

本公开总体涉及用于例如托管量子比特的组合物和设备以及使用方法。本文所述的方面包括量子设备诸如分子量子比特设备、相关计算设备以及使用组合物和量子设备的方法。简而言之，并且在一些方面，本文所述的组合物包括至少两个组分—纳米管和设置在纳米管内的金属结合的有机化合物。本文所述的量子设备包括这些组合物。

本文所述的方面可以使得能够在量子比特设备中形成分子量子比特(“量子比特”)以及控制这些量子比特以执行操作，例如量子逻辑操作。量子比特可以用于例如写入、存储和读取信息。与最先进的量子比特形成方法相比，本文所述的方面可以使得能够改善设备中量子比特数量的可扩展性和量子比特的强空间定位。量子比特的强空间定位使得能够例如对量子比特操纵和相互作用进行强控制。此外，可以将本文所述的方面集成到较大量子设备诸如量子计算设备中。

通常，量子比特容纳或托管存储量子信息的单个电子。例如，自旋量子比特可以在量子比特内实现，并且可以例如初始化、读出和操作这些自旋量子比特。如本文所述，量子比特的取向(例如，自旋向上和自旋向下)可以通过利用磁场来控制。纳米管的利用可以进一步增加量子比特的相干时间，因为它用于将其内的自旋与外部环境隔离开来。在一些示例中，利用碳纳米管。基于碳的纳米管的利用可以使得例如增加量子比特的相干时间，因为例如

纳米管的使用还可以使得能够对金属结合的有机化合物(例如，金属结合的环状四吡咯)的数量(浓度)、距离和位置进行控制，并且由此对量子比特分布进行控制。可以控制与金属结合的有机化合物的位置，因为例如如何将纳米管移动到期望位置是已知的。通过能够移动含有金属结合的有机化合物的纳米管，自旋可以靠近设备的表面。使自旋更靠近设备的表面使得能够改善量子设备，因为自旋取向可以通过磁场、光学和/或电磁辐射来更好地控制。单个纳米管内的金属结合的有机化合物的数量和/或浓度可以通过合成方法来控制，从而允许在每个纳米管内分离单个金属结合的有机化合物或多个金属结合的有机化合物。

如本文所述，本发明人已经发现了一种基于例如低成本和可化学改性的有机半导体诸如金属结合的有机化合物的用于托管量子比特的新平台。当金属结合的有机化合物是金属结合的环状四吡咯时，环状四吡咯可以充当例如金属或金属离子的多齿配体。该金属结合的环状四吡咯然后可以起到托管局部电子自旋量子比特的作用。当前利用金属酞菁来托管自旋量子比特的方法的相干时间非常短，约为微秒。本发明人通过以下方式解决了该问题和其他问题：使用纳米管来例如将单独的金属结合的环状四吡咯或多个金属结合的环状四吡咯与环境扰动隔离开来，从而延长量子比特的相干时间，以及实现单独的金属结合的环状四吡咯的各种空间排列。例如，通过排列纳米管、改变纳米管的长度和/或改变纳米管的其他特征/构型能够对设置在纳米管内的金属结合的环状四吡咯的空间分布进行控制。此外，可以由本文所述的组合物托管的量子比特的数量的变化以及托管量子比特的纳米管之间的距离的变化使得能够在由金属结合的环状四吡咯托管的量子比特之间引入纠缠。这种纠缠现象可以用于量子设备、量子计算和通信。

术语分子量子比特和量子比特在本文中可互换使用，除非上下文另有说明。例如，分子量子比特设备可以指分子量子比特设备和量子比特设备两者。

本公开的方面总体涉及组合物，诸如用于托管量子比特的组合物。示例性组合物100的非限制性图示在图1中示出，其将组合物100示为分子结构。一般来讲，组合物100包括第一组分101和第二组分103。第二组分103可以设置在第一组分101内(例如，设置在该第一组分的内部、位于该第一组分内、包含在该第一组分内、封装在该第一组分内或以其他方式嵌入在该第一组分内)。组合物可以包括多个第一组分、多个第二组分或它们的组合。

组合物100的第一组分101可以包括纳米管。纳米管200的图示在图2A中示出。纳米管200可以是碳纳米管，诸如单壁碳纳米管、少壁碳纳米管、多壁碳纳米管、双壁碳纳米管或它们的组合。这些碳纳米管可以是掺杂的或非掺杂的。可以根据已知方法来合成单壁碳纳米管。可以使用任何已知的合适方法和装置(包括用于单壁纳米管的那些)来合成、表征、共沉积和收集少壁纳米管、双壁碳纳米管和多壁纳米管。碳纳米管的长度可以在约50nm至约10cm或更大的范围内，但可以设想更长或更短的碳纳米管。碳纳米管的直径可以在约1nm至约10nm的范围内，但可以设想更长或更短直径的纳米管。纳米管可以是部分圆柱形的、基本上圆柱形的或圆柱形的和/或部分中空的、基本上中空的或中空的。因为例如纳米管是至少部分中空的，所以第二组分103可以设置在纳米管内。

重新参考图1，组合物100的第二组分103可以是金属有机化合物(金属结合的有机化合物)、其离子、金属和有机化合物的反应产物或它们的组合。在一些示例中，第二组分可以是具有非零自旋的金属有机化合物。在一些方面，第二组分103是金属结合的环状四吡咯、其离子、金属和环状四吡咯的反应产物或它们的组合。在图1中，第二组分103被示为金属结合的环状四吡咯。环状四吡咯是一类包括四个吡咯或类吡咯环的化合物。可用于第二组分103的环状四吡咯的示例包括但不限于酞菁(C

在一些方面，环状四吡咯可以是未取代的或取代的。“取代的环状四吡咯”是指这样的环状四吡咯：其中环状四吡咯的至少一个氢已被至少一个杂原子或含杂原子的基团取代，所述至少一个杂原子或含杂原子的基团是诸如元素周期表的第13-17族的一种或多种元素，诸如卤素(F、Cl、Br或I)、O、N、Se、Te、P、As、Sb、S、B、Si、Ge、Sn、Pb等，如C(O)R*、C(C)NR*

第二组分103的金属包括元素周期表的3d过渡金属、元素周期表的4d过渡金属或它们的组合。3d过渡金属属于元素周期表的第3周期并且包括Sc、Ti、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn以及它们的组合。4d过渡金属属于元素周期表的第4周期并且包括Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd以及它们的组合。在一些方面，金属选自由Sc、Ti、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd以及它们的组合组成的组，诸如Co、Cu、V以及它们的组合。

在一些方面，金属作为金属结合的环状四吡咯和/或金属和环状四吡咯的反应产物与环状四吡咯结合，如图2B的非限制性图示中所示。在该非限制性示例中，环状四吡咯是酞菁(Pc)并且被示为金属结合的酞菁205(MPc)。MPc 205的金属、氢、碳和氮分别标记为M、H、C、N。当金属与酞菁结合时，金属结合的酞菁205的酞菁部分可以具有式C

量子比特的自旋相干时间可以基于例如未配对自旋位于什么轨道而改变，因为未配对自旋所位于的轨道可以指示其与相邻氮原子的相应轨道重叠的概率。当重叠较大时，与氮核磁矩的相互作用较强(例如，强超精细相互作用恒定)，并且其将缩短自旋的相干时间。

如上所述，该组合物可以包括一种或多种第一组分、一种或多种第二组分或它们的组合。图2C和图2D示出了具有一个或多个第二组分103(例如，MPc 205)的示例性组合物的非限制性图示。具体地，图2C示出了设置在纳米管200内的单个MPc 205，并且图2D示出了设置在纳米管200内的两个MPc 205。任何合适数量的MPc化合物可以设置在纳米管内。

组合物100可以结合在诸如量子设备的设备中。量子设备是其操作取决于量子力学效应的设备。本文所述的量子设备可以是和/或用作例如量子计算机、量子信息处理设备(例如，量子处理器)、量子磁力计、量子比特设备(或分子量子比特设备)、读写设备、量子传感器、自旋共振设备(诸如自旋共振成像设备)或它们的部件。在一些方面，本文所述的一个或多个设备可以用于例如读取和/或写入量子比特。

图3示出了根据本公开的至少一个方面结合有本文所述的组合物的示例性量子设备300。量子设备300是量子比特设备的示例。在一些示例中，量子设备300可以作为场效应晶体管(FET)(诸如背栅场效应晶体管(BG-FET))操作或以其他方式包括场效应晶体管。BG-FET是利用电场来控制通过至少三个端子或电极(栅电极、源电极和漏电极)的电流流动的晶体管类型。尽管该设备被示为场效应晶体管(FET)设备，但是可以设想其他设备(诸如上述那些)。

量子设备300包括栅电极305和位于其上的衬底310。衬底310设置在栅电极305的至少一部分上或上方。量子设备300还可以包括设置在衬底310的至少一部分上方的源电极315和漏电极320。组合物325(诸如本文所述的那些，诸如金属结合的有机化合物，例如上述组合物100)设置在衬底310上方。组合物325的至少一部分可以设置在源电极315与漏电极320之间。在一些方面，并且如图3所示，间隙或空白空间330位于衬底310的至少一部分与组合物325之间。

源电极315、漏电极320和栅电极305(例如，背栅电极)用于通过组合物325引入电流。栅电极305可以向源电极315提供电势或电荷(例如，栅极-源极电压V

源电极315和/或漏电极320可以由各种合适的材料(诸如磁性材料，诸如Ni、铜、镍、银、铝、金、铂、钯、铋、钴、铁、它们的合金或它们的组合)制成。高矫顽力材料也可以用于源电极315和/或漏电极320。栅电极305可以由各种合适的材料(诸如硅、掺杂硅、石墨烯、碳纳米管或它们的组合)制成。

在操作中，并且如下文进一步所述，FET设备可以用于控制由组合物325(例如，设置在纳米管内的金属结合的环状四吡咯)托管的量子比特的取向。源电极315和漏电极320的磁性材料可以充当触点以将电子注入组合物中。可以将电磁辐射(例如，微波辐射340)引入组合物325中以便例如改变量子比特的自旋方向。另外，可以将外部磁场350施加到设备300的至少一部分，例如组合物325的至少一部分，以便例如增加单个方向上的自旋数量。因为注入的电子的自旋和量子比特的自旋的取向会引起电阻和/或检测到的电流改变，所以可以利用电阻和/或电流的检测来测量量子比特自旋是向上还是向下。来自电极的电子具有自旋向上或自旋向下取向。与金属结合的有机化合物(例如，金属结合的环状四吡咯)相关联的量子比特也具有自旋向上或自旋向下取向。如果电子和量子比特都被取向为与它们朝向漏电极移动的方向相同，例如平行，则可以检测到一个电阻/电流。如果电子和量子比特被取向在不同的方向上，例如反平行，则检测到散射。

因此，并且在一些方面，本文所述的设备可以任选地包括电磁辐射源、磁场源和/或检测器。电磁辐射源可以是微波发生器，该微波发生器被配置为例如扫描一定范围的频率以操纵组合物内的量子自旋。磁场源可以是磁场发生器，该磁场发生器被配置为例如将量子自旋排列在优先取向上。另外地或另选地，磁场发生器可以用电场发生器代替。检测器被配置为例如检测流经组合物的电阻和/或电流。

本文所述的量子设备可以在约绝对零度或更高(诸如约1K或更高，诸如约2K或更高，诸如约3K或更高，诸如约4K或更高，诸如约5K或更高)的温度下操作。在一些方面，量子设备可以在约绝对零度至约80K(诸如约1K至约60K，诸如约2K至约40K，诸如约4K至约30K，诸如约2K至约20K)的温度下操作。

本公开总体还涉及使用本文所述的组合物和/或设备的方法。所述方法可用于控制电子和/或量子比特的自旋、电荷或两者。此类方法可以用于读取和写入信息。在一些方面，所述方法利用本文所述的组合物，例如组合物100或组合物325。该组合物可以结合在设备诸如量子设备300或另一种合适的器件内。

图4是示出根据本公开的至少一个方面的用于控制电子和/或量子比特的自旋、电荷或两者的方法400的选定操作的流程图。控制电子和/或量子比特的自旋、电荷或两者包括扰动、改变、改动、调整或以其他方式影响自旋、电荷或两者。选定操作可以在本文所述的组合物和/或设备(诸如组合物100、结合有组合物100的设备或结合有组合物100的设备的部件)上进行。

方法400可以通过将本文所述的组合物(例如，组合物100)的至少一部分或结合有组合物100的设备(诸如设备300)的至少一部分冷却至约绝对零度或更高(诸如约1K或更高，诸如约2K或更高，诸如约3K或更高，诸如约4K或更高，诸如约5K或更高)的温度开始。在一些方面，操作温度可以为约绝对零度至约80K，诸如约1K至约60K，诸如约2K至约40K，诸如约4K至约30K，诸如约2K至约20K。

方法400还可以包括在操作415处向组合物100的至少一部分施加电压。如上所述，本文所述的组合物(或其一部分)可以设置在源电极与漏电极(例如，源电极315与漏电极320)之间，如图3所示。因此，并且在一些方面，操作415可以采取在源电极与漏电极(例如，源电极315与漏电极320)之间施加电势差的形式。在源电极与漏电极之间施加电势差使得电子能够移动通过组合物。源电极与漏电极之间的电势差可以为约-5V至约5V，诸如约-4V至约4V，诸如约-3V至约3V，诸如约-2V至约2V，诸如约-1V至约1V，诸如约-0.5V至约0.5V，诸如约-0.4V至约0.4V，诸如约-0.3V至约0.3V，诸如约-0.2V至约0.2V，诸如约-0.1V至约0.1V。可以设想源电极与漏电极之间的更高或更低的电势差。操作415可以在操作405之前、期间和/或之后执行。方法400不受图3所示的设备的限制。即，可以利用结合有组合物100的不同设备。

方法400还可以包括将磁场引入组合物100的至少一部分和/或结合有本文所述的组合物的设备(例如，结合有组合物325的设备300)的至少一部分中。例如，可在操作425处将磁场引入组合物100或结合有组合物100的设备的部件中。磁场可以来自生成外部磁场350的外部源。此类源的示例包括电磁体、固定永磁体和/或扫描电磁体。这里，组合物100可以经受例如静态磁场或动态磁场。通过向组合物100施加磁场，组合物内的核自旋可以优先地与所施加的磁场对齐。磁场可以具有约0.1特斯拉(T)至约2T(诸如约0.2T至约1T，诸如约0.25T至约0.5T，诸如约0.3T至约0.4T)的通量密度。磁场的通量密度可以取决于组合物100的金属。在至少一个实施方案中，磁场可以具有约特斯拉(T)至约14T(诸如约2T至约12T，诸如约4T至约10T，诸如约6T至约8T)的通量密度。可以设想更高或更低的通量密度。施加的磁场可以是脉冲形式或者是连续的。

方法400还可以包括在操作435处将电磁辐射(例如，微波辐射)引入组合物100或结合有组合物100的设备的部件中。微波辐射可以具有约300MHz至约170GHz(诸如约1GHz至约150GHz，诸如约2GHz至约100GHz，诸如约5GHz至约50GHz，诸如约9GHz至约35GHz，诸如约10GHz至约25GHz)的频率。可以设想更高或更低的频率。在一些方面，微波辐射可以具有约1GHz或更大和/或约94GHz或更小(诸如约9.3GHz(X波段)至约34GHz(Q波段)或约110GHz至约170GHz(D波段))的频率。

微波辐射源可以是被定位成照射组合物100的微波发生器或微波频率发生器。微波发生器或微波频率发生器生成微波辐射340。微波发生器可以被配置为扫描一定范围的微波频率以操纵组合物100的金属结合的四环吡咯的多个量子自旋中的一个或多个。微波辐射可以是脉冲和/或连续辐射形式。每个脉冲可以进行小于约1秒(诸如约10毫秒(ms)至约950ms，诸如约50ms至约900ms，诸如约100ms至约800ms，诸如约200ms至约700ms，诸如约300ms至约700ms，诸如约400ms至约600ms)的持续时间。可以设想更长或更短的时间段。引入微波辐射可以在引入磁场之前、期间和/或之后进行。引入磁场可以在引入微波辐射之前、期间和/或之后进行。每次引入磁场和/或微波辐射可以进行一次或多次。向组合物施加的磁场和电磁辐射控制自旋和电子的取向。操作435可以在操作425之前、期间和/或之后执行。

在操作425处向组合物施加的磁场和在操作435处向组合物施加的微波辐射可以一起变化，使得施加的磁场的变化也可以伴随微波辐射频率的变化。

作为非限制性示例，对于Cu

在一些方面中，方法400还可以包括经由栅电极(诸如栅电极305)向组合物施加电压。这种电压可以调节组合物和/或组合物的组分的能级，以允许或阻止电子从源电极隧穿进入和/或从组合物或组合物的组分隧穿出到漏电极。向栅电极施加的电压可以为约-80V至约80V，诸如约-60V至约60V，诸如约-40V至约40V，诸如约-20V至约20V。在至少一个方面，向栅电极施加的电压为约-80V至约0V，诸如约-70V至约-10V，诸如约-60V至约-20V，诸如约-50V至约-30V。在另一个方面，向栅电极施加的电压为约0V至约80V，诸如约10V至约70V，诸如约20V至约60V，诸如约30V至约50V。可以任选地经由例如源电极和漏电极向组合物施加源极-漏极偏压。源极-漏极偏压可以为约50mV或更小，诸如约10mV至约50mV，诸如约20mV至约40mV。可以设想更高或更低的电压。经由栅电极施加电压可以发生在操作405、415、425和/或435之前、期间和/或之后。

方法400还可以包括测量和/或检测流经组合物的至少一部分的电流、电阻和/或磁阻。电流和/或电阻的测量和/或检测使得用户或控制器能够确定电子和/或量子比特的自旋是向上还是向下。对于给定的外部磁场，可以通过将源极漏极电压(V)除以电流(I)来获得磁阻的测量和/或检测。可以使用电压相同或相似的设备来测量电流(I)。在至少一个示例中，可以测量源电极315与漏电极320之间的电阻和/或磁阻，以确定电子的自旋和/或量子比特是向上还是向下。

方法400的上述操作中的每一个可以单独地应用于容纳组合物100的设备(或其部件)。操作的顺序可以是任何合适的顺序，使得操作405、415、425或435中的一个或多个可以在操作405、415、425或435中的一个或多个之前、期间和/或之后进行。

图5是根据本公开的至少一个方面的示例性量子计算设备500的框图。量子计算设备500可以结合有组合物100和/或量子设备300。可以根据需要复制或省略图5所示的任何一个或多个部件。此外，根据应用，可以根据需要包括附加部件。

量子计算设备500可以包括一个或多个处理器502(或一个或多个处理设备)。处理器和处理设备是指例如处理来自存储器和/或寄存器的电子数据以将该电子数据转换成可以存储在存储器和/或寄存器中的其他电子数据的设备或设备的一部分。一个或多个处理器502可以包括量子处理器505和任选的非量子处理器(未示出)。量子处理器505可以包括在本文公开的量子设备300中的一个或多个，并且可以通过对由这些量子设备托管的量子比特执行操作以及监测这些操作的结果来执行数据处理。例如，可以允许不同的量子比特相互作用，可以设置或转换不同量子比特的量子状态，并且可以读取量子比特的量子状态(例如，通过另一个量子比特)。量子处理器505可以是通用量子处理器或被配置为运行一个或多个特定量子算法的专用量子处理器。量子处理器505可以执行适合于量子计算机的算法。量子处理器505还可以包括支持电路510以支持量子处理器505的处理能力，诸如多路复用器、信号混合器、输入/输出通道、模数转换器和量子。例如，量子处理器505可以包括向量子设备300提供电流的电路。任选的非量子处理器(未示出)可以提供外围逻辑以支持量子处理器505的操作。作为示例，任选的非量子处理器可以控制写入和/或读取操作的执行、执行计算功能以支持和/或补充由量子处理器505提供的计算功能。任选的非量子处理器可以与量子计算设备500的一个或多个其他部件(诸如下文讨论的显示设备530)进行交互。任选的非量子处理器可以包括中央处理单元(CPU)、图形处理单元、数字信号处理器、专用集成电路(ASIC)、服务器处理器和/或其他合适的处理器。

量子计算设备500还可以包括通信芯片515。通信芯片515可以被配置为管理用于数据通信的无线或非无线通信。通信芯片515可以实现任何数量的无线协议或标准，诸如电气和电子工程师协会(IEEE)标准，包括Wi-Fi(IEEE 802.11系列)、IEEE 802.16标准和/或长期演进(LTE)项目连同任何修正、更新和/或修订。通信芯片515可以根据通用移动通信系统(UMTS)、通用分组无线电服务(GPRS)、高速分组接入(HSPA)、演进的HSPA(E-HSPA)、全球移动通信系统(GSM)和/或LTE网络来操作。通信芯片515可以根据GSM增强数据演进(EDGE)、GSM EDGE无线电接入网络(GERAN)、通用地面无线电接入网络(UTRAN)、演进UTRAN(E-UTRAN)、时分多址(TDMA)、码分多址(CDMA)、演进数据优化(EVDO)、数字增强型无绳电信(DECT)、它们的衍生产品、它们的组合以及被指定为3G、4G、5G等的任何其他无线协议来操作。在一些方面，通信芯片515可以管理有线通信，诸如电、光或任何其他合适的通信协议(例如，以太网)。通信芯片515可以包括多个通信芯片，每个通信芯片可以是独立有线的或非有线的。在至少一个方面，第一通信芯片515可以专用于无线通信，并且第二通信芯片515可以专用于有线通信。在一些方面，第一通信芯片515可以专用于近程无线通信，诸如Wi-Fi或蓝牙，并且第二通信芯片515可以专用于远程无线通信，诸如GPRS、CDMA、WiMAX、GPS、EDGE、LTE、EVDO或其他。

量子计算设备500还可以包括存储器520。存储器520可以是易失性存储器(诸如动态随机存取存储器(DRAM))、非易失性存储器(诸如只读存储器(ROM))、硬盘驱动器、固态存储器和/或闪存存储器。可以读取量子处理器505中量子比特的状态并将其存储在存储器520中。该存储器520可以用作高速缓冲存储器，并且可以包括嵌入式自旋转移矩磁随机存取存储器(STT-MRAM)和/或动态随机存取存储器(eDRAM)。存储器520可以包括与任选的非量子处理器共享管芯的存储器。量子计算设备500可以包括电池/功率电路525。电池/功率电路525可以包括一个或多个能量存储设备(例如，电池或电容器)和/或用于将量子计算设备500的部件耦接到与量子计算设备500分离或在该量子计算设备外部的能量源(例如，AC线路功率)的电路。量子计算设备500可以包括显示设备530(或对应的接口电路)和/或音频输入/输出设备535(或对应的接口电路)。

当包括在量子计算设备500中时，显示设备530可以包括视觉指示器，诸如触摸屏显示器、平视显示器、平板显示器、计算机监视器、投影仪、液晶显示器(LCD)和/或发光二极管显示器。可以设想其他视觉指示器。音频输入/输出设备535可以包括生成可听指示符的设备(诸如扬声器、耳机、耳塞等)和/或生成表示声音的信号的设备(诸如麦克风、麦克风阵列或数字仪器(例如，具有乐器数字接口(MIDI)输出的仪器))。其他任选的输出设备(或对应的接口电路)和其他任选的输入设备(或对应的接口电路)可以包括在量子计算设备500中。此类任选的输入设备的非限制性但例示性示例可以包括图像捕捉设备、键盘、光标控制设备(诸如鼠标)、触笔、触摸板、条形码读取器、快速响应(QR)码读取器、传感器、射频识别(RFID)读取器、罗盘、陀螺仪和/或加速度计。此类任选的输出设备的非限制性但例示性示例可以包括用于向其他设备提供信息的有线或无线发射机、打印机、音频编解码器、视频编解码器和/或附加存储设备。天线540也可以包括在量子计算设备500中。天线540可以用于促进无线通信和/或接收其他无线通信，例如FM和/或AM无线电传输。

多个组件在图5中被示为包括在量子计算设备500中，但是可以省略或复制这些组件中的一个或多个，如适合于该应用。在一些方面，可以将包括在量子计算设备500中的这些部件中的一些或全部附接到一个或多个印刷电路板(例如，母板)。在一些方面，可以将这些组件中的各种组件制造到单个芯片上系统(SoC)管芯上。另外，在各个方面，量子计算设备500可不含在图5的图示中示出的一个或多个部件，但是量子计算设备500可以包括用于耦接到一个或多个部件的接口电路。例如，量子计算设备500可不含音频输入/输出设备535，而是包括音频输入/输出设备接口电路，例如音频输入/输出设备535可以耦接到其上的连接器和支持电路。

提出以下实施例以便为本领域的普通技术人员提供如何制备和使用本公开各方面的完整公开和描述，并且不旨在限制本公开各方面的范围。已努力确保关于使用的数(例如，量、尺寸等)的准确性，但应当考虑一些实验误差和偏差。

实施例

设置在碳纳米管内的金属结合的环状四吡咯的合成可以根据以下非限制性程序进行。将具有介于3与6之间的平均层数和

将纯化的碳纳米管在空气中在约400℃下氧化约40分钟，导致重量损失为约40％。这种热处理打开了纳米管帽并且还从管的表面部分地去除了无定形碳。然后将它们与过量的升华纯化的CoPc在石英管中混合，在约10

本公开总体涉及用于例如托管量子比特的组合物和设备以及使用方法。本文所述的方面包括量子设备诸如分子量子比特设备、相关计算设备以及使用组合物和量子设备的方法。本文所述的方面可以使得能够在量子设备中形成量子比特以及控制这些量子比特以执行操作，例如量子逻辑操作。

方面列表

除了别的以外，本公开还提供了以下方面，该方面中的每一个均可被认为任选地包括任何另选的方面：

条款1.一种量子设备，所述量子设备包括：

组合物，所述组合物包含：

包含纳米管的第一组分；以及

包含化合物的第二组分，所述化合物包含金属结合的环状四吡咯、其离子或它们的组合。

条款2.根据条款1所述的量子设备，其中所述第二组分设置在所述第一组分内。

条款3.根据条款1或条款2所述的量子设备，其中所述纳米管是单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、少壁碳纳米管、双壁碳纳米管或它们的组合。

条款4.根据条款1-3中任一项所述的量子设备，其中所述环状四吡咯包括酞菁、二氢卟吩、卟啉、菌绿素、咔咯、卟啉烯、四氮杂卟啉或它们的组合。

条款5.根据条款1-4中任一项所述的量子设备，其中所述金属包括元素周期表的3d过渡金属、元素周期表的4d过渡金属或它们的组合。

条款6.根据条款5所述的量子设备，其中所述金属包括Cu、Co、V或它们的组合。

条款7.根据条款1-6中任一项所述的量子设备，其中所述量子设备是量子计算机、量子信息处理设备、量子磁力计、量子比特设备、读写设备、量子传感器、量子自旋共振设备或它们的部件。

条款8.根据条款1-7中任一项所述的量子设备，其中所述量子设备被配置为在4K或更高的温度下操作。

条款9.一种用于读取和写入量子比特的设备，所述设备包括：

栅电极；

设置在所述栅电极的至少一部分上方的衬底；

设置在所述衬底上方的源电极和漏电极；

设置在所述衬底上方的组合物，所述组合物的至少一部分设置在所述源电极与所述漏电极之间，所述组合物包含：

包含纳米管的第一组分；以及

包含化合物的第二组分，所述化合物包含金属结合的环状四吡咯、其离子或它们的组合。

条款10.根据条款9所述的设备，其中所述源电极和所述漏电极由磁性材料制成。

条款11.根据条款9或条款10所述的设备，其中：

所述金属包括元素周期表的3d过渡金属、元素周期表的4d过渡金属或它们的组合；

所述环状四吡咯包括酞菁、二氢卟吩、卟啉、菌绿素、咔咯、卟啉烯、四氮杂卟啉或它们的组合；或者

它们的组合。

条款12.根据条款11所述的设备，其中所述环状四吡咯包括酞菁。

条款13.根据条款11或条款12所述的设备，其中所述金属包括Cu、Co、V或它们的组合。

条款14.根据条款11-13中任一项所述的设备，其中所述第二组分设置在所述第一组分内。

条款15.根据条款11-14中任一项所述的设备，其中所述纳米管是单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、双壁碳纳米管、少壁碳纳米管或它们的组合。

条款16.一种用于控制量子自旋的方法，所述方法包括：

将组合物冷却至约1K或更高的温度，所述组合物包含：

包含纳米管的第一组分；以及

包含化合物的第二组分，所述化合物包含金属结合的环状四吡咯、其离子或它们的组合；

向所述组合物施加电压；

向所述组合物引入磁场；以及

向所述组合物引入微波辐射。

条款17.根据条款16所述的方法，所述方法还包括检测电阻、磁阻、电流或它们的组合，所述电阻、所述磁阻、所述电流或它们组合与所述量子自旋的取向相关。

条款18.根据条款16或条款17所述的方法，其中所述方法被配置为控制量子比特的读取和写入。

条款19.根据条款16-18中任一项所述的方法，其中所述方法的至少一部分在大于1K的温度下进行。

条款20.根据条款16至19中任一项所述的方法，其中：

所述金属包括元素周期表的3d过渡金属、元素周期表的4d过渡金属或它们的组合；

所述环状四吡咯包括酞菁、二氢卟吩、菌绿素、卟啉、咔咯、卟啉烯、四氮杂卟啉或它们的组合；或者

它们的组合。

从上述一般描述和具体方面显而易见的是，虽然已经举例说明和描述了各方面的形式，但是在不脱离本公开的实质和范围的情况下，可以进行各种修改。因此，本公开并不旨在限于此。同样，术语“包含”被认为与术语“包括”同义。同样，每当组合物、要素或要素组前面有过渡短语“包含”时，应当理解，还设想在详述组合物、一种或多种要素之前具有过渡短语“基本上由…组成”、“由…组成”、“选自由…组成”或“为”的相同组合物或要素组，并且反之亦然，例如，术语“包含”、“基本上由…组成”、“由…组成”也包括在该术语后面列出的要素的组合的产物。

出于本公开的目的，并且除非另外指明，否则本文的具体实施方式和权利要求书内的所有数值均由“约”或“大约”来修饰指示值，并且考虑本领域的普通技术人员可预期的实验误差和变化。为简明起见，本文仅明确公开了某些范围。然而，从任何下限开始的范围可与任何上限组合以列举未明确列举的范围，以及从任何下限开始的范围可与任何其他下限组合以列举未明确列举的范围，以相同的方式，从任何上限开始的范围可与任何其他上限组合以列举未明确列举的范围。另外，即使没有明确列举，在一个范围内也包括其端点之间的每个点或单个值。因此，每个点或单个值可用作其自身的下限或上限，与任何其他点或单个值或任何其他下限或上限组合，以列举未明确列举的范围。

如本文所用，不定冠词“一个”或“一种”应意指“至少一个”，除非有相反的说明或上下文另有明确指示。例如，包含“纳米管”的方面包括包含一个、两个或更多个纳米管的方面，除非有相反的说明或上下文清楚地指示仅包括一个纳米管。

虽然前述内容涉及本公开的方面，但是可以在不脱离本发明的基本范围的情况下设计本公开的其它和进一步的方面，并且其范围由随附权利要求确定。