摘要：计算机中最小的信息单位是比特——要么开要么关，1 或 0。现代计算能力完全建立在无数个 1 和 0 的组合和互连之上。然而，量子计算机有自己的比特版本：量子比特。与经典比特一样，量子比特有两种基本状态。关键区别在于量子效应可以实现叠加，允许量子比特同时以不同比

Empa 的研究人员通过使用纳米石墨烯分子创建和操纵海森堡自旋链，向实用量子计算迈出了重要一步。

计算机中最小的信息单位是比特——要么开要么关，1 或 0。现代计算能力完全建立在无数个 1 和 0 的组合和互连之上。然而，量子计算机有自己的比特版本：量子比特。与经典比特一样，量子比特有两种基本状态。关键区别在于量子效应可以实现叠加，允许量子比特同时以不同比例存在 0 和 1。这意味着量子比特理论上可以表示无限数量的状态。

这种模糊性正是量子计算机在理论上具有“超能力”的原因。原则上，量子计算机可以在几分之一秒内解决问题，而这些问题对于当今最强大的超级计算机来说也需要花费不切实际的时间。然而，量子计算仍处于早期阶段。最大的挑战之一是连接量子比特，因为单个量子比特本身无法充当计算机。

表示量子比特的 0 和 1 的一种方法是利用电子自旋的排列，这是电子和其他粒子的基本量子力学特性。简单地说，自旋可以被认为是一种扭矩，指向“上”（1）或“下”（0）。当两个或多个自旋在量子力学上纠缠时，它们会影响彼此的状态——改变一个自旋的方向会影响所有其他自旋。这使得自旋相互作用成为一种使量子比特能够“通信”的有前途的方式。

然而，与量子物理学的大部分内容一样，这种“语言”——自旋之间的相互作用——极其复杂。虽然可以用数学来描述，但精确求解方程几乎是不可能的，即使对于只有几个自旋的相对简单的链也是

如此。这并不是将理论变成现实的理想条件……

模型变成现实

Empa 纳米技术@表面实验室的研究人员现在已经开发出一种方法，可以让许多自旋以受控的方式相互“交谈”——同时还能让研究人员“倾听”它们，即了解它们的相互作用。他们与国际伊比利亚纳米技术实验室和德累斯顿工业大学的科学家一起，能够精确地创建一个电子自旋的原型链并详细测量其特性。他们的研究结果现已发表在著名期刊《自然纳米技术》上。

所有物理专业的学生都熟悉这种链背后的理论：取一个线性自旋链，其中每个自旋与其相邻的自旋之间相互作用较强，而与另一个自旋之间相互作用较弱。这种所谓的一维交替海森堡模型是由物理学家、后来的诺贝尔奖获得者、量子力学的创始人之一维尔纳·海森堡在近 100 年前描述的。尽管自然界中存在包含此类自旋链的材料，但目前还不可能将这些链有意地整合到材料中。“真实材料总是比理论模型复杂得多，”Empa 纳米技术@表面实验室负责人、该研究的合著者 Roman Fasel 解释道。

碳材质的“高脚杯”

为了创造这种人工量子材料，Empa 的研究人员使用了二维碳材料石墨烯的微小碎片。这些纳米石墨烯分子的形状影响它们的物理特性，特别是它们的自旋——这是一种纳米尺寸的量子乐高积木，科学家可以用它组装更长的链。

对于他们的海森堡模型，研究人员使用了所谓的克拉尔高脚杯分子。这种特殊的纳米石墨烯分子由 11 个碳环组成，排列成沙漏状。由于这种形状，两端各有一个不成对的电子，每个电子都有一个相关的自旋。尽管化学家埃里希·克拉早在 1972 年就预测了克拉尔高脚杯的存在，但直到 2019 年，Fasel 的团队才在 nanotech@surfaces 实验室制造出这种分子。

研究人员现在已将高脚杯连接在金表面上形成链条。分子内的两个自旋是弱连接，而分子之间的自旋是强连接——这是交替海森堡链的完美实现。研究人员能够精确操纵链条的长度，选择性地打开和关闭单个自旋，并将它们从一种状态“翻转”到另一种状态，使他们能够详细研究这种新型量子材料的复杂物理特性。

从理论到实践

Fasel 坚信，正如 Clar 的高脚杯的合成使得海森堡链的产生成为可能，这项研究也将为量子研究打开新的大门。“我们已经证明，量子物理的理论模型可以通过纳米石墨烯来实现，从而通过实验检验其预测，”研究人员说。“具有其他自旋结构的纳米石墨烯可以连接起来形成其他类型的链，甚至更复杂的系统。” Empa 的研究人员以身作则：在即将发表的第二项研究中，他们能够重建一种不同类型的海森堡链，其中所有自旋都平等连接。

为了走在应用量子物理学的前沿，不同学科的理论和实验科学家需要共同努力。德累斯顿工业大学的化学家为 Empa 研究人员提供了合成 Clar's Goblets 的起始分子。来自葡萄牙国际伊比利亚纳米技术实验室的研究人员为该项目贡献了他们的理论专业知识。Fasel 强调，实现此类突破所需的理论不仅仅是物理教科书上的内容，而是量子物理模型和实验测量之间的复杂转换。

来源：科学每日一说