納米石墨烯如何重建神奇基本量子模型

在計算機中，信息的最小單位是比特：處於開或關的狀態，對應 1 或 0。如今，全世界的計算能力均構建於無數個 1 和 0 的組合及相互連接之上。量子計算機有其自身的比特版本：量子比特。它也有兩個基本狀態。主要區別在於：量子效應允許這兩種狀態的疊加，因此量子比特不是要麼是 1 要麼是 0，而是同時既是 1 又是 0。由於 0 和 1 的比例不同，理論上量子比特可以呈現出無限數量的狀態。

這種不確定性應當賦予量子計算機真正的“超能力”。至少在理論上，基於量子的計算機能夠在幾分之一秒內完成計算，這令當今最出色的超級計算機都難以企及。然而，量子計算尚未完全發展成熟。其中最大的挑戰之一是連接量子比特——因爲單個（量子）比特並不能算作一臺計算機。

實現量子比特的 0 和 1 的一種方式是藉助所謂的電子自旋的排列。自旋是電子和其他粒子的一種基本量子力學性質，簡單地說，是一種可以指向“上”（1）或“下”（0）的扭矩。

當兩個或更多的自旋以量子力學的方式相互連接時，它們會彼此影響各自的狀態：改變其中一個的方向，其餘所有的也會隨之改變。因此，這是讓量子比特相互“交流”的好方法。然而，就像量子物理學中的許多情況一樣，這種“語言”，即自旋之間的相互作用，極其複雜。

儘管能夠用數學來進行描述，但是即便對於僅有幾個自旋的相對簡單的鏈，相關方程也幾乎難以精確求解。這可不是將理論付諸實踐的最佳條件......

Empa 表面納米技術實驗室的研究人員現已開發出一種方法，能讓衆多自旋以可控的方式“相互交流”，還能讓研究人員“傾聽”它們，也就是了解它們的相互作用。

他們的研究結果現已發表在《自然納米技術》雜誌。

所有物理學學生對鏈背後的理論都很熟悉：就拿自旋的線性鏈來說，其中每個自旋與一個相鄰的自旋強烈相互作用，而與另一個則是弱相互作用。

“實際材料總是比理論模型複雜得多。”Empa 表面納米技術實驗室負責人、該研究的合著者羅曼·法塞爾解釋道。

爲了製造出這種人造量子材料，Empa 的研究人員運用了二維碳材料石墨烯的微小碎片。

這些納米石墨烯分子的形狀影響其物理性質，尤其是它們的自旋——這如同一種納米級的量子樂高積木，科學家能夠藉此組裝出更長的鏈。

針對他們的海森堡模型，研究人員採用了所謂的克拉爾高腳杯分子。

這種特殊的納米石墨烯分子由 11 個碳環構成，呈沙漏形狀排列。

儘管化學家埃裡希·克拉爾早在 1972 年就進行了預測，但是克拉爾的高腳杯直到 2019 年才由法塞爾的團隊在納米技術@表面實驗室製造而成。

研究人員如今已經把高腳杯連接在金表面從而形成鏈。

一個分子內的兩個自旋爲弱連接，而分子間的自旋則是強連接——這是交替海森堡鏈的完美達成。

研究人員能夠精準地操控鏈的長度，有選擇性地開啓和關閉單個自旋，並將其從一種狀態“翻轉”至另一種狀態，從而能夠極爲詳細地研究這種新型量子材料的複雜物理性質。

法塞爾堅信，正如克拉爾高腳杯的合成讓海森堡鏈的產生成爲了可能，此項研究反過來也會在量子研究中開啓新的大門。

“爲了通過實驗檢驗其預測，我們已經證明量子物理的理論模型能夠藉助納米石墨烯來實現。”

“具有其他自旋構型的納米石墨烯能夠連接起來，構成其他類型的鏈，甚至是更復雜的系統。”

“Empa 的研究人員起到了表率作用：在即將發表的第二項研究中，他們成功重建了一種不同類型的海森堡鏈，其中所有自旋均同等相連。”

“若要處於應用量子物理的前沿，來自不同學科的理論科學家和實驗科學家需要攜手合作。”

“德累斯頓工業大學的化學家給 Empa 研究人員提供了用於合成克拉爾高腳杯的起始分子。”

“法塞爾強調，此類突破所需的理論（不單單）並非是您在物理教科書中所能找到的那種，而是量子物理模型和實驗測量之間的複雜轉換。”