《科学》重磅！量子互联网突破？美国发明新型分子量子比特

只用一个仅为头发丝直径十万分之一大小的分子，科学家们竟然打通了连接未来的“量子隧道”，可能让那个传说中绝对无法被破解的量子互联网，突然就能在我们需要用来刷剧、打游戏的普通光纤里“跑”起来了！

这就是量子计算领域刚刚发生的一个重大突破。

在这个被无数物理学家视为“圣杯”的赛道上，我们可能刚刚迈出了通向终点最关键的一步。这一发现不仅意味着未来的量子互联网不需要把全球的电缆重新铺一遍，更意味着那个“超安全通信”点时代，可能正在加速向我们走来。

这项重磅成果由美国芝加哥大学分子工程学教授 David Awschalom 领衔，联合加州大学伯克利分校等顶级机构共同完成，于 2025 年 10 月 2 日发表在著名的《科学》（Science）杂志上。

这到底是怎么做到的？故事得从量子比特的“怪脾气”说起。

一、量子比特的“社恐”症

如果你关注科技圈，肯定听说过量子计算机。它们不仅算力逆天，还能利用“量子叠加”——也就是同时处于 0 和 1 的状态——来处理海量信息。

听起来很美，但量子比特（Qubits）有个巨大的毛病：它们太难伺候了。

传统的量子比特，无论是超导电路还是被捕获的离子，虽然在实验室里表现神勇，但它们本质上是个“社恐”。一旦你想让它们把信息传出去，尤其是进行长距离传输，它们就会各种“水土不服”。

为什么？因为它们发出的信号波长，跟我们在地下埋了几十年的光纤网络根本“语言不通”。

如果要建量子互联网，难道我们要把全世界的光纤都挖出来重铺一遍吗？

二、“稀土”救星登场

科学家们把目光投向了元素周期表上那个角落里的稀土元素——铒（Erbium）

他们没有去造复杂的电路，而是利用合成化学手段，构建了一个以单个铒原子为核心的“分子量子比特”。

这个新玩意儿简直就是为了解决“沟通障碍”而生的。

铒不仅拥有一种特殊的电子自旋（Spin）特性，可以像传统的量子比特一样，利用微小的磁场来存储信息（处于 0、1 或两者的叠加态）；更神奇的是，它还是个“光学天才”。

三、纳米级的“双语翻译官”

这项研究最绝的地方在于，它造出了一座桥。

这个铒分子量子比特，充当了微观世界中“磁性”和“光学”之间的纳米桥梁。

通常情况下，磁性是磁性，光是光，井水不犯河水。但在这个微小的分子里，科学家们发现：铒原子的自旋状态，竟然能直接控制它发射出的光的波长。

这意味着什么？

这意味着，我们可以先把信息像存硬盘一样“写”在分子的磁性状态里，然后当需要传输时，直接用光信号把它“读”出来。这就像是给量子计算机配了一个精通双语的翻译官，瞬间把晦涩的磁信号翻译成了通用的光信号。

四、绝配：它竟然“说”的是电信语

更牛的是，这个被“翻译”出来的光信号，它的波长恰好落在“电信波段”（Telecom Wavelengths）。

这一刻，物理学界的拼图终于严丝合缝地扣上了！

因为是电信波段，这些携带着量子信息的光子，可以在我们现有的、埋在城市地下的光纤网络里畅通无阻地狂奔，且损耗极低。

而且，这种特定波长的光还有一个巨大的优势：它能穿透硅。

如果在其他波段，光信号可能一进硅芯片就被吸收掉了，信息直接归零。但铒发出的光，可以轻松穿透硅光子芯片。这就意味着，这种新型量子比特可以被直接集成到现有的硅芯片技术中。

这是什么概念？这意味着我们不需要发明全新的科技来制造量子设备，直接用现成熟的硅芯片工艺就能把它们造出来，而且体积更小、更紧凑。

五、这个“脑洞”有多大？

想想看，每一个这样的量子比特，都构建在一个比人类头发丝还要细 10 万倍的单分子上。

因为它们是化学合成的分子，科学家甚至可以像搭积木一样调整它们的结构，未来甚至可能把它们塞进生物细胞里，去探测纳米级别的磁场或温度变化。

芝加哥大学的 Awschalom 教授说得非常直白：这就是迈向可扩展量子网络的关键一步。

虽然离真正的全球量子互联网还有距离，但这项研究告诉我们：我们不需要推翻现有的基础设施，通往未来的路，其实就藏在我们脚下的光纤里。

参考文献：

Weiss, L. R., et al. (2025). A high-resolution molecular spin-photon interface at telecommunication wavelengths. Science, 390(6768), 76-81.