量子電腦被視為改變未來科技的重要力量，但要將脆弱的量子現象放在晶片上並大規模運作，一直是科研的難題。澳洲新南威爾斯大學（UNSW）研究團隊最近取得突破：他們首次在矽晶片中讓原子核自旋形成量子糾纏，並能在 20 奈米距離下互相「對話」，為量子電腦的實用化鋪路。
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什麼是量子糾纏？
量子糾纏就像一對同步的雙胞胎：即便相隔很遠，一個人的動作會瞬間影響另一個人。這種現象讓量子電腦可以同時處理大量資料，比傳統電腦快上數倍。然而，要在矽晶片上實現原子核間的糾纏並不簡單。過去，原子核必須共享同一顆電子才能互相作用，就像只有在同一房間的人才能清楚交談，房間一旦滿了，就難以擴大。
突破性「電子電話」
UNSW團隊的創新在於，不再依賴原子核共用電子，而是利用電子的「擴散能力」作為訊號橋樑。即便兩個原子核相隔約 20 奈米（相當於人類頭髮寬度的千分之一），它們仍能透過電子建立穩定聯繫。研究人員形容，以前的原子核就像被關在隔音室裡，僅能在室內對話；現在則像拿到電話，可以跨房間交流。
與現有晶片製程相容
20 奈米的距離正好對應現代電腦與手機晶片的製程尺度。這意味著，未來量子電腦可以直接採用現有半導體技術量產，無需重新設計製造流程。對半導體產業而言，這大幅提升了量子電腦從實驗室走向市場的可能性。UNSW團隊表示，這種方法穩定且可擴展，未來可加入更多電子與原子核，實現更大規模的量子運算。
原子核自旋：量子運算核心
團隊利用矽晶片中的磷原子核自旋來儲存量子資訊。自旋是量子電腦超越傳統計算機的關鍵資源。研究顯示，量子資訊可以在這些自旋中保存超過 30 秒，並且量子邏輯運算的錯誤率低於 1%，證明這些原子核自旋既穩定又孤立，是理想的量子運算載體。
電子如何成為訊號橋樑
雖然電子是微小的粒子，但它們能在空間中擴散，與多個原子核互動。研究人員比喻：過去原子核像隔音室裡的人，只能在室內對話；現在電子就像電話，讓它們跨越距離互相交流。這種方法打破了原子核必須共用單一電子的限制，是實現矽量子電腦可擴展性的關鍵。
挑戰與未來展望
即使已經能在晶片尺度實現量子糾纏，要打造可比肩超級電腦的量子系統仍需數百到數千個量子位元穩定運作。如何在保持低錯誤率的前提下擴大規模，是接下來的核心挑戰。不過，這項研究展示了在現有半導體工藝下建構量子微晶片的可能性，使大規模量子電腦更接近現實。
結論
UNSW的突破標誌著量子電腦邁出關鍵一步：原子核自旋能在晶片尺度上糾纏並互相通訊，為可擴展量子電腦提供新方法。隨著技術進一步成熟，量子電腦有望真正融入日常生活，改變運算方式與科技格局。
資料來源:
- 「電子交換介導的核自旋的可擴展糾纏」作者：Holly G. Stemp、Mark R. van Blankenstein、Serwan Asaad、Mateusz T. Mądzik、Benjamin Joecker、Hannes R. Firgau、Arne Laucht、Fay E. Hudson、Benjamin Joecker、Hannes R. Firgau、Arne Laucht、Fay E. Hudson、Andrew S. Dzuoh、Andrew N. J.A. J. Morello，2025 年 9 月 18 日，《科學》。
- “Like Talking on the Telephone” – Quantum Breakthrough Lets Individual Atoms Chat Like Never Before
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