量子「聖杯」：開啟未來運算新篇章

瑞士聯邦材料科學與技術研究所（Empa）的研究團隊在量子運算領域邁出了重要一步。他們利用奈米石墨烯分子，成功創造並操控了海森堡自旋鏈，為實現實用量子運算奠定了基礎。

傳統電腦的最小資訊單位是位元（bit），它只能表示0或1兩種狀態。現代電腦的運算能力正是基於無數個0和1的組合與連線。然而，量子電腦擁有自己的位元版本——量子位元（qubit）。與傳統位元不同，量子位元可以同時處於0和1的疊加狀態，這意味著它理論上能代表無限多種狀態。這種特性賦予了量子電腦理論上的超級運算能力，使其能在瞬間解決傳統超級電腦需耗時許久的問題。

儘管量子運算潛力巨大，但目前仍處於初期發展階段。其中一個主要挑戰是如何連線量子位元，因為單一量子位元無法獨立運作。研究人員發現，可以利用電子自旋來表示量子位元的0和1狀態。當兩個或多個自旋量子糾纏時，它們的狀態會相互影響，這使得自旋互動成為量子位元間通訊的一種潛在方式。

然而，自旋之間的互動極為複雜，即使對於僅包含幾個自旋的簡單鏈，精確求解其方程式也幾乎是不可能的。為此，Empa的研究團隊開發了一種新方法，能夠控制多個自旋之間的互動，並詳細測量其特性。他們與國際伊比利亞奈米技術實驗室和德累斯頓工業大學的科學家合作，成功建立了典型的電子自旋鏈，並在《自然奈米技術》期刊上發表了研究成果。

這項研究的理論基礎可以追溯到近100年前，由量子力學奠基人之一、諾貝爾獎得主維爾納·海森堡提出的一維交替海森堡模型。雖然自然界中存在自旋鏈，但將其精確融入材料中仍是一大難題。為此，Empa的研究人員使用了二維碳材料石墨烯的微小片段，這些奈米石墨烯分子的形狀影響了其物理特性，特別是自旋，使其成為構建更長自旋鏈的「量子樂高積木」。

在研究中，團隊使用了名為「克拉爾聖杯」的特殊奈米石墨烯分子。這種分子由11個碳環組成，形似沙漏，兩端各有一個未配對的電子及其相關自旋。研究人員將這些「聖杯」分子連線在黃金表面上，形成自旋鏈，並精確操控其長度，選擇性地開關個別自旋，從而深入研究這種新型量子材料的複雜物理特性。

Empa的研究團隊相信，這項研究將為量子研究開啟新的大門。他們展示瞭如何利用奈米石墨烯實現量子物理理論模型，並透過實驗驗證其預測。未來，具有不同自旋配置的奈米石墨烯可以連線成其他型別的鏈，甚至更複雜的系統。研究團隊已經在另一項即將發表的研究中，成功重建了另一種海森堡自旋鏈，其中所有自旋均等連線。

要站在應用量子物理的前沿，來自不同學科的理論與實驗科學家必須緊密合作。德累斯頓工業大學的化學家為Empa的研究人員提供了合成「克拉爾聖杯」分子的起始材料，而葡萄牙國際伊比利亞奈米技術實驗室的研究人員則貢獻了理論專業知識。正如Fasel所強調的，實現這些突破所需的理論不僅僅是物理教科書中的內容，而是量子物理模型與實驗測量之間的精密轉換。