2026年7月16日——量子技术有望在计算、传感和信息处理领域带来革命性突破。然而，在原子尺度上控制单个量子比特（qubit）仍是一大挑战，因为传统方法依赖磁场，难以将磁场限制在单个分子内。

基础科学研究所（IBS）量子纳米科学中心（QNS）主任Andreas HEINRICH领导的研究团队，与卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）的合作者共同证明，利用一种新发现的交换介导机制，可以用电学方式控制单个磁性分子的量子态。这项研究为分子量子系统的电控提供了新策略，并可能为更具可扩展性的量子技术铺平道路。

磁性分子被认为是有前景的未来量子技术构建单元，因为它们仅有几纳米大小，能够自组装成有序结构，并且可以通过化学手段定制以具备所需的量子特性。这些特点使其成为分子量子计算、量子传感和自旋电子学应用的候选者。然而，一个主要障碍始终存在：研究人员难以在避免对相邻分子产生不良影响的同时，以足够高的精度操纵单个分子的自旋态。尽管此前的研究表明电场可以调节分子自旋，但其效应通常太弱，无法用于实际的量子操作。

为克服这一限制，由QNS校友Philip WILLKE领导的KIT团队利用电子自旋共振结合扫描隧道显微镜（ESR-STM），研究了单个铁酞菁（FePc）分子及相关分子自旋复合物。通过精确改变施加电压，他们发现通过分子与磁性STM针尖之间的交换介导相互作用，电控效果会显著增强。

分子自旋并非随电压线性变化，而是当施加电压接近分子的某个电子能级时，表现出明显的非线性响应。新发现的机制产生了接近30%的共振频率偏移——比此前报道的大多数分子自旋系统电调谐效应大一个数量级。该机制还为QNS研究人员先前提出的理论框架提供了实验验证，表明电压控制的交换相互作用可以产生高度局域化的有效磁场用于自旋控制。

研究人员进一步证明，这种新机制不仅能简单地移动自旋能级，还能实现相干量子控制。通过拉比振荡测量，他们展示了单个分子自旋可以仅通过电压而非磁场变化进行选择性控制。他们还演示了对耦合分子自旋系统的电控，使得在不干扰相邻自旋的情况下调节一个自旋成为可能。

这些结果代表了在分子尺度器件中执行量子操作的重要一步。

与先前提出的机制不同，这种交换介导效应不依赖于物理上变形分子。相反，它源于分子自旋与附近磁性电极之间的相互作用，使得该效应高度局域化，并可能适用于许多其他量子系统，包括量子点和固态自旋缺陷。

由于电信号比磁场更容易局域化并集成到电子器件中，这种方法为构建未来分子量子技术提供了实用策略。

“电控是构建可扩展量子技术的关键要求之一，”该研究的通讯作者Christoph WOLF表示，“我们的工作展示了一种全新机制，使得以空前效率和纳米级精度操纵单个分子自旋成为可能。”

这些发现为电控分子量子系统建立了新策略，并为未来基于原子和分子的量子技术（包括量子计算、量子传感和量子信息处理）奠定了基础。