把量子比特装进一个分子：单分子“自旋—光子接口”登上Nature

导语｜量子网络需要一种“节点”：既能存住量子信息，又能用光把信息送出去。

德国乌尔姆与以色列的团队把单个卡宾分子嵌进“量身定制”的晶体，让一个分子同时做到发光稳定、自旋可控、相干时间达毫秒级。

研究背景：分子为什么难当“量子节点”

未来的量子互联网依赖“自旋—光子接口”：电子自旋负责存储量子态，光子负责远距离传递。

目前的主力是金刚石色心等固体缺陷，但缺陷由材料加工“随机生成”，位置和性质都难以精确设计。

分子则不同，化学家可以像搭积木一样逐个原子设计其结构。

难点在于，分子体系长期难以同时满足三项要求：发光谱线足够窄、光谱长期稳定、自旋寿命足够长。

此前的分子体系往往顾此失彼：要么发光不够稳定，要么自旋信息很快丢失，因此一直停留在“系综”层面，很难把单个分子当作可独立寻址的量子比特来用。

核心突破：一个分子，三项指标同时达标

10月28日，Roggors等人在Nature发表论文《A single-molecule spin–photon interface》。

研究选用基态为三重态的二（联苯基）卡宾分子作为量子比特，将其以低浓度掺入形状几乎相同的二（联苯基）酮晶体中。

在4.5 K（约−269 °C）低温下，团队观测到：单分子发光谱线宽窄至约38 MHz；光学性质稳定超过1小时，频率波动仅数MHz；实现了单光子发射与单分子光探测磁共振（ODMR），可对单个自旋进行初始化、相干操控和光学读出。

借助动态解耦技术，自旋相干时间达到毫秒量级，自旋弛豫时间达数十毫秒。

按论文预印本数据，XY8动态解耦相干时间约2.2 ms，T1约21 ms（具体数值以期刊正式版为准）。

机制解读：给分子找一个“安静的座位”

卡宾的中心碳原子带有两个未成对电子，自旋平行时形成三重态，其自旋子能级可以用来编码量子信息。

关键在于“主客体同形”：客体卡宾与主体酮分子形状几乎一致，卡宾像被严丝合缝地“卡”进晶格，周围环境安静，谱线因此又窄又稳。

制备时，先把卡宾的重氮前体掺入晶体，再用580 nm激光在局部把它“点亮”转化为卡宾。

读出则利用“自旋选择性”光学跃迁：不同自旋态对应的跃迁频率相差约1.56 GHz，用窄线宽激光只激发其中一条，看分子是否发光，就能判断自旋状态；微波脉冲则负责操控自旋。

为什么重要

这项工作表明，分子可以成为单发射体量子光学的可行平台，同时保留化学可设计的独特优势：改变分子结构，就有望调节发光波长和自旋性质，而不必依赖材料中偶然形成的缺陷。

分子还可能加工成薄膜，与光子芯片集成。

对量子硬件来说，这意味着多了一条“自下而上”的路线：用化学合成批量制造完全相同的量子单元，而不是在材料里“碰运气”寻找合适的缺陷。

研究团队部分成员来自量子技术企业，也显示出该方向从基础研究走向器件的意图。

潜在应用与边界

作者提出的方向包括片上光子路由、量子中继器节点以及量子传感等。

但需要冷静看待：实验仍需液氦级低温和精密光学系统；目前展示的是单个分子的接口，尚未实现多个分子量子比特之间的纠缠或组网；光子收集效率、纳米光子集成和可重复制备仍是待解难题。

在固态自旋寿命方面，金刚石NV色心仍是标杆。

原始来源

[1] Roggors S. et al. A single-molecule spin–photon interface. Nature (2026). DOI: 10.1038/s41586-026-11147-6：https://doi.org/10.1038/s41586-026-11147-6