科學家開發出新型分子量子比特，可運行於現有電信技術頻率

科技日報記者 張夢然

來自美國芝加哥大學、加州大學伯克利分校、阿貢國家實驗室以及勞倫斯伯克利國家實驗室的科學家們開發出一種新型分子量子比特，能夠彌合光與磁之間的鴻溝，在與現有電信技術相同頻率下運行。這項突破性進展發表在新一期《科學》雜誌上，為構建可擴展的量子技術提供了一種極具前景的新平台，且有望與當前廣泛使用的光纖網絡實現無縫集成。

在量子技術中，光通常用於傳輸和測量量子態，而磁性相關的自旋則是量子計算、傳感和存儲的關鍵資源。該研究巧妙結合了量子光學與合成化學兩個領域：前者推動了激光與量子網絡的發展，後者則在諸如磁共振成像造影劑等應用中展現出強大能力，從而構建出能連接這兩個領域的分子級功能單元。

此次新型分子量子比特的核心成分是稀土元素鉺。由於其獨特的物理特性，鉺能夠在保持光學躍遷“乾淨”的同時，與磁場發生強烈相互作用，因此在經典光電子技術和新興量子系統中均具有重要價值。新設計的分子結構使得信息可被編碼在其磁性自旋態中，並通過特定波長的光進行讀取和操控——而這些光的頻率恰好與現有的硅基光子電路和光纖通信系統兼容。

研究團隊表示，這些分子可充當磁學世界與光學世界之間的納米級橋樑，因此他們能在分子的磁態中存儲量子信息，並用與現代光通信基礎設施完全匹配的光信號來訪問它。

團隊利用光譜學和微波技術，驗證了這些鉺基分子量子比特確實可在與硅光子學兼容的頻率下工作，而硅光子學正是支撐現代電信、高性能計算和先進傳感器的核心技術。這種與成熟工業標準高度兼容的特性，有望加速基於分子—光子混合架構的量子網絡發展。

研究同時證明，通過合成化學手段，可在分子尺度上精確設計和調控量子材料的行為。這為進一步開發面向量子網絡、高靈敏度傳感和下一代計算的定製化量子系統指明瞭路徑。

總編輯圈點

正值量子百年，今年的諾貝爾物理學獎花落量子力學。而在本研究中，我們看到量子技術正在向實用化邁出關鍵一步。通過分子工程實現光與磁的協同，不僅解決了量子信息在不同載體間轉換的難題，更開闢了量子系統與經典通信基礎設施直接對接的可能。其真正的突破也正在於“可擴展性”與“可集成性”的統一。未來，這類量子比特有望成為構建分佈式量子網絡的核心節點，推動超靈敏生物傳感、芯片級量子處理器以及全球安全量子通信的發展。這既是材料科學的勝利，也是通向大規模量子互聯時代的實質性進展。