2026年6月3日——量子计算曾一度仅存在于理论可能性中，它有望带来更快、更节能的计算机——但这需要科学家们能够构建并规模化运行这些机器所需的硬件。弗吉尼亚联邦大学的新研究让科学家们向实用规模的量子计算迈进了一小步，这有望显著降低某些行业的能耗和计算时间。

在这项近期发表于《自然通讯》的研究中，研究人员利用比光波长小两倍的微型磁体，构建了量子计算的基本模块，开创了一项技术，可能减少打造可实用量子计算机所需的物理空间。

“这项研究有潜力推动量子计算的发展，”弗吉尼亚联邦大学工程学院机械与核工程教授、该研究的首席研究员贾亚西姆哈·阿图拉辛哈博士表示，“我们正在解决基于自旋的量子计算中的一个特定问题，而这种方法具有规模化发展的潜力。”

量子构建模块

显示本文的电脑或智能手机使用名为晶体管的基本电子设备来处理数字和进行互联网搜索。晶体管可打开或关闭电信号，计算机正是通过这种方式进行计算。

在量子计算中，与这种开关信号（也称为比特）相对应的是量子比特。在阿图拉辛哈的实验室中，每个量子比特始于一颗毫米大小的钻石，其尖端逐渐收缩至仅有几个原子宽。

这些钻石由碳原子晶格构成，碳原子之间形成强键。阿图拉辛哈和其他量子工程师使用实验室培育的钻石，这些钻石的尖端在结构上特意缺少两个相邻的碳原子。其中一个空位由氮原子填充，但另一个空位被保留。

这使得钻石内存在自由电子——而这些自由电子构成了量子比特的基础。电子如同微小的磁体，量子计算的目标是控制和测量这些不成对电子产生的磁场的强度和方向，这一因素也称为“自旋”。

通过使电子的自旋向上或向下，相当于传统计算机的“开”和“关”开关，量子计算机可以执行今天计算机无法完成的计算。

“这是一种解决化学、密码学中许多问题的强大方式——特定问题可以极大地加速解决，”阿图拉辛哈表示，“我们正在致力于研究实现这一目标的硬件。”

量子计算的新自旋

以往的研究通常使用来自线状天线的电磁信号来控制钻石尖端内自由电子的自旋。但这些天线的信号覆盖范围很广，使得在多量子比特计算机芯片中很难单独控制多个钻石中的电子自旋。这使得创建一个可运行的计算机变得不切实际，因为量子比特（也称为自旋量子比特）需要间隔很远。

“仅靠一个量子比特，我们无法进行有用的计算，”阿图拉辛哈实验室的博士生、该研究的第一作者法希姆·F·乔杜里表示，“我们需要成千上万个这样的量子比特，并且它们必须紧密排列在一起。”

这正是实验室的微型磁体发挥作用的地方。这些纳米磁体大多直径约为200纳米——比一张纸薄500倍，大约相当于导致水痘的微观病毒的长度。

在最近的研究中，研究人员将一个纳米磁体与一个钻石量子比特配对，以探究他们能否控制量子比特自由电子的自旋。答案是肯定的：通过使用声波来控制纳米磁体，他们能够改变电子的量子态。

“我们正在构建一种独特的控制机制。这些量子比特能长时间存储信息，并能在高温下运行，”乔杜里表示，“但在单个芯片上实现许多量子比特的可扩展实现仍然是一个关键挑战。”

微型磁体，广阔应用

与其他量子计算方法相比，实验室这种新的磁驱动方法可能更节能、更有利于信息存储，且更具可扩展性，这有望在未来转化为更大的节能效果。

“随着世界对计算能力的需求不断增长，阿图拉辛哈博士及其团队的工作只会越来越重要，”弗吉尼亚联邦大学研究与创新副总裁斯里拉马·拉奥博士表示，“这类研究对未来可能具有关键性影响，它代表了弗吉尼亚联邦大学为应对我们面临的最复杂、最紧迫挑战所做的工作。”

阿图拉辛哈表示，实验室的纳米磁体还可能应用于医学或化学研究，包括超精密的药物投放。

“它有助于理解基本的化学和生物机制，”他说，“你可以将其视为极端传感技术。”

尽管量子计算已不再是理论概念，但大规模基于自旋的量子计算仍在进展之中。

“这些仍是新兴领域，”阿图拉辛哈表示，“这项研究风险高，但回报潜力大。最终，这也是一个非常激动人心的旅程，激励我不断前行。”