2026年3月5日——来自IBM、曼彻斯特大学、牛津大学、苏黎世联邦理工学院、洛桑联邦理工学院和雷根斯堡大学的国际科学家团队创造并表征了一种前所未见的分子，其电子以螺旋运动轨迹穿越分子结构，从根本上改变了化学行为。这项发表于《科学》杂志的研究，首次在单分子中实验观测到半莫比乌斯电子拓扑结构。

据该团队所知，具有此类拓扑结构的分子此前从未被合成、观测甚至理论预测过。要理解该分子在电子结构层面的行为，需要同样根本性的工具：高保真量子计算模拟。

这一发现在两个前沿领域推动科学进步：对化学而言，它证明电子拓扑（决定电子在分子中运动方式的属性）可被主动设计，而不仅存在于自然界；对量子计算而言，这生动展示了量子模拟的初衷——在分子尺度直接呈现量子力学行为，获得传统方法难以企及的科学认知。

IBM院士、欧洲与非洲区副总裁兼苏黎世研究院院长Alessandro Curioni表示：“我们首先设计出可能合成的分子，继而构建它，最终用量子计算机验证了其特殊性质。这向着物理学家理查德·费曼数十年前的构想迈进了一步——打造能完美模拟量子物理的计算机，正如他所说'底层仍有无限空间'。该研究的成功标志着我们向这一愿景跨出步伐，为探索世界和物质本质开辟了新途径。”

前所未见的分子

化学式为C₁₃Cl₂的分子由IBM团队原子级组装完成，其定制前驱体由牛津大学合成。研究人员在近绝对零度的超高真空环境下，通过精密校准电压脉冲逐一移除原子。

结合IBM开创的扫描隧道显微镜与原子力显微技术，辅以量子计算模拟，揭示了化学史上绝无仅有的电子构型：电子结构每循环一次就发生90度扭转，需完整循环四次才能回到初始相位。这种半莫比乌斯拓扑与任何已知分子存在本质区别，并能在顺时针扭转、逆时针扭转和非扭转状态间可逆切换——证明电子拓扑不再是待发现的性质，而是可在特定条件下主动设计的属性。

颠覆性科学工具：量子中心超级计算

当科学家创造出这个全新分子后，解释其机理的任务对传统计算机构成了挑战。C₁₃Cl₂中的电子以深度纠缠方式相互作用——每个电子都同时影响其他所有电子。模拟这种行为需要同步追踪所有可能的相互作用构型，其计算需求呈指数级增长，传统计算机难以胜任。

量子计算机本质上不同，因其运作遵循与分子电子相同的量子力学规律，能直接呈现而非近似模拟这些系统。它们与研究对象“说”相同的量子语言，这种曾经主要停留在理论层面的差异，如今已能产出具体科学成果。

这种能力使量子计算机在量子中心超级计算工作流中展现出巨大潜力。通过整合量子处理器(QPU)、CPU和GPU，该架构能将复杂问题分解为适合各系统优势的子任务——实现单一计算范式无法完成的使命。在此工作流中，IBM量子计算机帮助团队发现了电子附着的螺旋分子轨道，这是半莫比乌斯拓扑的指纹特征。量子计算模拟还揭示了异常拓扑形成机制：螺旋赝贾-泰勒效应。

这一成就建立在IBM纳米科学的长期积淀上。1981年IBM发明的扫描隧道显微镜(STM)为其科学家格尔德·宾宁和海因里希·罗雷尔赢得1986年诺贝尔奖，该技术使原子级表面成像成为可能。1989年，IBM团队开发出首个可靠的单原子操纵方法。过去数十年来，研究人员不断拓展这些技术以构建和控制愈发奇特的分子结构。

研究者观点

论文合著者、曼彻斯特大学计算与理论化学讲师Igor Rončević博士：“化学与固态物理通过掌控物质的新方式进步。20世纪后半叶，取代基效应研究盛行，比如探索甲基替换为氯如何改变药效或材料弹性。世纪之交的自旋电子学引入电子自旋这一新自由度，变革了数据存储。我们的工作表明拓扑也可作为可切换的自由度，为调控材料性质开辟新途径。”

论文合著者、牛津大学化学教授Harry Anderson博士：“C₁₃Cl₂的路易斯结构已预示其手性特征，这被实验和量子化学计算所证实。更惊人的是，通过探针施加电压脉冲可实现对映体相互转换。”

论文合著者、雷根斯堡大学物理教授Jascha Repp博士：“能参与量子硬件真正解决科学问题（而非仅展示技术）的项目令人振奋。微小分子竟能拥有如此复杂的电子结构，其扭曲奇异程度几乎让思维也随之扭转。”