2026年7月7日——量子态可以通过仅几纳米大小的微小碳环实现精确控制。这得益于一类很少被使用的电磁偶极子——环形矩。通过计算机模拟，德国马丁·路德大学哈勒-维滕贝格分校的物理学家找到了一种在无损耗情况下生成和控制这些纳米结构的方法。该研究成果已发表在《npj计算材料学》期刊上，为量子计算机技术创造了新的机遇。

在物理学中，存在两种众所周知的偶极子：电偶极子产生电信号，例如电池和天线中的信号；磁偶极子，如带电线圈或条形磁铁，由移动电荷或永磁体产生。除了这些传统的偶极子之外，还有第三类电荷-电流分布，迄今为止在分子水平上很难复制，即环形偶极子。“可以这样想象：一个承载电流的线圈会包围一个磁场，该磁场在线圈外消失。连接线圈两端会形成一个环形系统，该系统电中性，且不产生外部电场或磁场，”哈勒-维滕贝格分校的物理学家Jamal Berakdar教授解释道，他与Arkamita Bandyopadhyay博士共同进行了这项研究。

尽管研究人员知道稳定的环形矩可能存在，但如何在其纳米级别生成和控制尚不清楚；当它们缩小到纳米尺寸时，问题就会出现。“传统的环形线圈在尺寸足够大时效果良好——例如，半径为一厘米时。然而，如果线圈太小，电流就不能在电路中有效流动，且存在高损耗，”Arkamita Bandyopadhyay解释道。

哈勒-维滕贝格分校的研究人员通过计算机模拟，展示了如何在所谓的纳米环中生成环形矩。这些环状结构由碳原子组成，看起来像微小的甜甜圈。当对这些结构施加恒定电场时，电子会围绕环进行三维涡旋运动，从而形成环形矩。“我们利用计算机模拟展示了如何在纳米尺度下无损耗地生成、控制、激发并切换环形矩，”Jamal Berakdar表示。

这项研究的成果为量子计算领域开辟了新可能性。一个例子是能够精确控制超导体，使电流几乎无损耗地通过。现有方法通常需要磁场或电场，但在纳米尺度下很难以聚焦。这些场不仅会影响超导体，还会激发附近的其他粒子，可能导致信号噪声或高能耗。“这个问题可以通过利用碳纳米环中的环形矩来规避，因为它们可以直接改变量子力学相位，”Bandyopadhyay总结道。