在量子技术中，纠缠是实现量子计算与精密传感的核心，但也带来一个关键挑战，量子系统需在维持环境隔离以保持相干性的同时，实现彼此间的可控耦合，这一矛盾在固态系统中尤为明显。尽管核自旋拥有极长的相干时间，却因其相互耦合极弱（例如两个31P在间距1 nm时磁偶极耦合仅约10 Hz），成为最难纠缠的系统之一。早期核磁共振研究虽然演示了量子算法，却因无法在多个核间建立真正纠缠而难以扩展。现有方案大多通过一个公共电子间接耦合核自旋，但受限于电子波函数尺寸，作用距离仅1-5 nm，且会随核数增加引发频谱拥挤，本质上无法扩展。要突破这一瓶颈，必须引入多个电子，并实现电子间可扩展的强耦合，从而为核自旋提供长程、高效的纠缠路径。
二、【创新成果】
基于此，澳大利亚新南威尔士大学Andrea Morello教授团队在Science上发表了题为“Scalable entanglement of nuclear spins mediated by electron exchange”的论文，突破性地提出并演示了一种可扩展的核自旋纠缠方案，通过电子交换耦合间接实现了长程核自旋间的量子逻辑操作与纠缠。在硅基金属-氧化物-半导体（MOS）器件中，两个磷供体核间距达20 nm，每个核分别绑定一个电子，两电子间藉由海森堡交换相互作用（强度约12 MHz）实现耦合。研究团队以此结构为基础，成功执行了核自旋之间的受控-Z门（CZ门）操作，其关键在于利用电子自旋共振频率同时依赖两核自旋状态的物理机制，从而实现对核态的条件相位控制。在实验上，首先采用电子-核双共振技术初始化核自旋，再通过精准微波脉冲驱动电子，间接操控核态并最终制备出核Bell态。经量子态层析验证，该纠缠态保真度达76±5%，并发度为0.67±0.05，明确证实了相距20 nm两核间存在量子纠缠。该方法首次将电子交换相互作用作为核间纠缠的媒介，从根本上克服了传统“共享电子”方案中作用距离短、频谱拥挤等不可扩展性问题，为将来构建基于核自旋的大规模硅基量子处理器奠定了基础。
三、【图文解析】
图1 交换耦合双原子系统 © 2025 Springer Nature
图2 电子和原子核的纠缠 © 2025 Springer Nature
图3 两个原子核之间的长程纠缠 © 2025 Springer Nature
四、【科学启迪】
本研究首次在硅基MOS器件中实现了基于电子交换相互作用的长程核自旋纠缠。研究人员利用两个相距约20 nm的磷原子核，每个核分别绑定一个电子，通过电子间的海森堡交换耦合间接实现了核自旋间的CZ门操作，并成功制备出Bell纠缠态，测得保真度为76±5%，并发度为0.67±0.05，明确验证了核间量子纠缠。该研究突破了传统核自旋纠缠方案中依赖“共享电子”导致的距离限制和可扩展性瓶颈，首次将电子交换作用作为核间纠缠的媒介。本研究标志着量子计算领域在核自旋纠缠技术上的重大突破，为基于硅基材料的可扩展量子计算机开发提供了新的路径。
原文详情：Scalable entanglement of nuclear spins mediated by electron exchange (Science 2025, 389, 1234-1238)
本文由大兵哥供稿。
