南京大学&厦门大学&中国人民大学 Nature Materials 基于单个内嵌富勒烯 Sc₂C₂@C₈₈(尺寸1 nm)的超紧凑多级概率比特

标题：A Sc₂C₂@C₈₈-cluster-based ultra-compact multilevel probabilistic bit for matrix multiplication 

期刊：Nature Materials（2026年在线发表）

核心创新

本文报道了基于单个内嵌富勒烯 Sc₂C₂@C₈₈（尺寸<1 nm）的超紧凑多级概率比特（probabilistic bit, p-bit），首次在单一分子尺度实现了极小尺寸 + 多态 + 可控概率遍历三者结合的信息单元，并成功应用于素数分解和矩阵乘法。

主要实验结果

1. 器件制备
• 使用反馈控制电迁移断裂结（FCEBJ）技术在金纳米线中形成纳米间隙，将单个 Sc₂C₂@C₈₈分子夹在源漏电极之间，构成单分子晶体管。
• 在~2       K低温下观测到清晰的库仑阻塞现象，证实单簇输运。
2. 随机多电导态切换
• 在不同偏压下，器件可在3~4个离散电导态之间随机切换（I-t曲线）。
• 产生的0-1随机序列自相关函数（ACF）置信区间在±0.02以内，表现出极高质量的真随机性。
3. 概率可控性（p-bit核心功能）
• 通过调节源漏偏压（V_sd），可连续调控各电导态的占据概率，使“0”和“1”的概率在0~1之间平滑遍历（sigmoid函数拟合）。
• 利用这一特性，成功实现了551的素数分解（19×29），算法20次重复均收敛到正确结果。
4. 高精度矩阵乘法
• 将器件状态跃迁建模为马尔可夫链，得到状态转移矩阵。
• 通过在140       mV和160       mV两种偏压下切换，实现两个4×4状态转移矩阵的物理乘法。
• 实验测得矩阵元与理论计算值的最大误差<0.05，平均误差<0.03，精度极高。

物理机制（理论计算支持）

• DFT计算揭示 Sc₂C₂@C₈₈存在5个稳定的分子构型，能量差异0.2–99.3      meV，具有不同的电偶极矩。
• 外加电场可同时调控：①各构型的相对能量；②构型间跃迁势垒。
• 电场驱动簇内      Sc₂C₂单元的取向/位置变化，导致不同的电导态，产生可控的随机切换。
• 温度依赖实验表明，切换主要由电场辅助而非热激活主导。

意义与展望

• 这是目前报道的尺寸最小（单分子级别）的多级概率比特器件。
• 将随机性、多态性和可编程性结合于一体，为概率计算、组合优化和神经形态计算提供了全新的超紧凑硬件方案。
• 未来可通过构建不同偏压下的转移矩阵库，在单个器件中实现“编程”式计算，潜力极大。

一句话总结：作者利用单个 Sc₂C₂@C₈₈分子实现了电场可控的随机多态切换，构建出超小型多级概率比特，实验验证了其在素数分解和4×4矩阵乘法中的高性能应用，并从理论上阐明了簇内构型演化的微观机制。

图 1：Sc2C2@C88 簇的单电子传输。

图 2：多种电导状态的随机变化。

图 3：多种电导状态的可控改变。

图 4：高精度矩阵乘法。

图 5：电场驱动下丰富能量景观的演化。