科技日?qǐng)?bào)記者 張夢(mèng)然

來(lái)自美國(guó)芝加哥大學(xué)、加州大學(xué)伯克利分校、阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室以及勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們開(kāi)發(fā)出一種新型分子量子比特，能夠彌合光與磁之間的鴻溝，在與現(xiàn)有電信技術(shù)相同頻率下運(yùn)行。這項(xiàng)突破性進(jìn)展發(fā)表在新一期《科學(xué)》雜志上，為構(gòu)建可擴(kuò)展的量子技術(shù)提供了一種極具前景的新平臺(tái)，且有望與當(dāng)前廣泛使用的光纖網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)無(wú)縫集成。

在量子技術(shù)中，光通常用于傳輸和測(cè)量量子態(tài)，而磁性相關(guān)的自旋則是量子計(jì)算、傳感和存儲(chǔ)的關(guān)鍵資源。該研究巧妙結(jié)合了量子光學(xué)與合成化學(xué)兩個(gè)領(lǐng)域：前者推動(dòng)了激光與量子網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，后者則在諸如磁共振成像造影劑等應(yīng)用中展現(xiàn)出強(qiáng)大能力，從而構(gòu)建出能連接這兩個(gè)領(lǐng)域的分子級(jí)功能單元。

此次新型分子量子比特的核心成分是稀土元素鉺。由于其獨(dú)特的物理特性，鉺能夠在保持光學(xué)躍遷“干凈”的同時(shí)，與磁場(chǎng)發(fā)生強(qiáng)烈相互作用，因此在經(jīng)典光電子技術(shù)和新興量子系統(tǒng)中均具有重要價(jià)值。新設(shè)計(jì)的分子結(jié)構(gòu)使得信息可被編碼在其磁性自旋態(tài)中，并通過(guò)特定波長(zhǎng)的光進(jìn)行讀取和操控——而這些光的頻率恰好與現(xiàn)有的硅基光子電路和光纖通信系統(tǒng)兼容。

研究團(tuán)隊(duì)表示，這些分子可充當(dāng)磁學(xué)世界與光學(xué)世界之間的納米級(jí)橋梁，因此他們能在分子的磁態(tài)中存儲(chǔ)量子信息，并用與現(xiàn)代光通信基礎(chǔ)設(shè)施完全匹配的光信號(hào)來(lái)訪問(wèn)它。

團(tuán)隊(duì)利用光譜學(xué)和微波技術(shù)，驗(yàn)證了這些鉺基分子量子比特確實(shí)可在與硅光子學(xué)兼容的頻率下工作，而硅光子學(xué)正是支撐現(xiàn)代電信、高性能計(jì)算和先進(jìn)傳感器的核心技術(shù)。這種與成熟工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)高度兼容的特性，有望加速基于分子—光子混合架構(gòu)的量子網(wǎng)絡(luò)發(fā)展。

研究同時(shí)證明，通過(guò)合成化學(xué)手段，可在分子尺度上精確設(shè)計(jì)和調(diào)控量子材料的行為。這為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)面向量子網(wǎng)絡(luò)、高靈敏度傳感和下一代計(jì)算的定制化量子系統(tǒng)指明了路徑。

總編輯圈點(diǎn)

正值量子百年，今年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)花落量子力學(xué)。而在本研究中，我們看到量子技術(shù)正在向?qū)嵱没~出關(guān)鍵一步。通過(guò)分子工程實(shí)現(xiàn)光與磁的協(xié)同，不僅解決了量子信息在不同載體間轉(zhuǎn)換的難題，更開(kāi)辟了量子系統(tǒng)與經(jīng)典通信基礎(chǔ)設(shè)施直接對(duì)接的可能。其真正的突破也正在于“可擴(kuò)展性”與“可集成性”的統(tǒng)一。未來(lái)，這類量子比特有望成為構(gòu)建分布式量子網(wǎng)絡(luò)的核心節(jié)點(diǎn)，推動(dòng)超靈敏生物傳感、芯片級(jí)量子處理器以及全球安全量子通信的發(fā)展。這既是材料科學(xué)的勝利，也是通向大規(guī)模量子互聯(lián)時(shí)代的實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。