一个强大的量子未来的蓝

在阿贡实验室工作的科学家约瑟夫·埃尔曼斯曾用于合成超纯钻石晶体和设计携带量子信息的电子自旋。资料来源:阿贡国家实验室

声称某物有缺陷通常意味着不受欢迎的特性。但在固态系统中就不是这样了，比如现代经典电子设备的核心半导体。它们之所以能起作用，是因为在像硅这样的晶体材料中，原子的严格有序排列引入了缺陷。令人惊讶的是，在量子世界里，缺陷也扮演着重要的角色。

美国能源部(DOE)阿贡国家实验室、芝加哥大学、日本、韩国和匈牙利的科学研究所和大学的研究人员已经建立了指导方针，这将是发现新的基于缺陷的量子系统的宝贵资源。这个国际团队在《自然评论材料》上发表了这些指导方针。

这种系统可能应用于量子通信、传感和计算，从而可能对 社会 产生革命性的影响。量子通信可以在长距离上可靠、安全地分发量子信息，使量子互联网成为可能。量子传感可以在生物、天文、技术和军事领域获得前所未有的灵敏度。量子计算可以可靠地模拟物质的行为直至原子水平，并可能模拟和发现新的药物。

该团队基于对过去几十年获得的关于固态材料中自旋缺陷的大量知识的广泛回顾，得出了他们的设计准则。

“我们感兴趣的缺陷是晶体中原子有序排列的孤立扭曲，”约瑟夫·埃勒曼斯解释说，他是阿贡分子工程和材料科学中心以及芝加哥大学普利兹克分子工程学院的科学家。

这种畸变可能包括由加入掺杂剂的原子或杂质去除而产生的空穴或空位。这些扭曲反过来又会将电子困在晶体内。这些电子有一种称为自旋的特性，它就像一个孤立的量子系统。

“自旋是一种关键的量子性质，自旋缺陷可以以物理学家称为量子位元或量子位元的形式保存量子信息，类似于经典计算中的信息位元，”阿gonne分子工程和材料科学中心的助理科学家Gary Wolfowicz补充说。与芝加哥大学普利兹克分子工程学院合作。

几十年来，科学家们一直在研究这些自旋缺陷，以创造一系列概念验证设备。然而，以往的研究只集中在一两个领先的候选量子位上。

扫描电子显微镜图像的纳米制造碳化硅设备设计，以捕获和放大单光子嵌入量子态的材料。资料来源:芝加哥大学Alex Crook

芝加哥大学普利兹克分子工程学院(University of Chicago Pritzker School of Molecular Engineering)的博士后学者克里斯托弗·安德森(Christopher Anderson)说，“多年来，我们这个领域的研究重点一直比较狭窄。”“就好像我们在量子竞赛中只有几匹马。但现在我们知道还有很多其他的量子马，以及我们在这些马身上寻找什么。”

团队的指导方针包括缺陷的属性和被选择来承载它们的材料。缺陷的关键性质是自旋、光学(例如，光如何与俘获电子的自旋相互作用)和缺陷的电荷状态。

可能的固态材料不仅包括硅、金刚石和碳化硅等已经得到充分研究的材料，还包括其他新近出现的材料，如各种氧化物。所有这些材料都有不同的优点和缺点，在指南中列出。例如，钻石既透明又坚硬，但价格昂贵。另一方面，硅很容易以低成本制造设备，但更容易受到免费电荷和温度的影响。

“我们的指导方针是为量子科学家和工程师评估缺陷特性和选择的主体材料之间的相互作用，以设计适合某些特定应用的新量子位，”Heremans指出。

“自旋缺陷在创造新的量子设备中扮演着核心角色，无论是小型量子计算机，量子互联网，还是纳米尺度的量子传感器，”安德森继续说。“通过利用自旋缺陷的广泛知识来推导这些指导方针，我们已经打下了基础，这样量子工作者——现在和将来——就可以从头开始设计出完美的量子比特，用于特定的用途。”

Wolfowicz说:“我们对我们的指导方针感到特别自豪，因为目标用户包括资深量子科学家、其他领域的研究人员和希望加入量子工作队伍的研究生。”

这项工作还为设计可伸缩的半导体量子器件奠定了基础，并与Q-NEXT(由Argonne领导的能源部资助的量子信息科学研究中心)非常吻合。Q-NEXT的目标包括建立一个用于开发量子互联和传感器的半导体量子“铸造厂”。

“我们团队的指导方针将作为蓝图，帮助指导Q-NEXT任务，设计下一代量子材料和设备，”David Awschalom说，他是阿冈材料科学部门的高级科学家，芝加哥大学普利兹克分子工程学院的Liew家庭教授，同时也是芝加哥量子交易所和Q-NEXT的董事。“当涉及到自旋量子技术时，这项工作奠定了基础，并告诉该领域如何向前发展。”

1987年9月-1997年7月 北京大学技术物理系 学士、硕士、博士学位；1995年-1996年 Heidelberg物理化学所，联合培养博士，德国 Heidelberg 大学物理化学所，研究离子对材料表面改性原理；1998年9 月-1998年12月 德国重离子物理所（GSI），DAAD高级访问学者；1999年11月-2001年4月 日本京都大学工学院量子材料科学中心，从事极端条件下材料物性研究以及分子动力学技术对相关过程的模拟研究；

2006年 德国重离子物理所(GSI)材料物理组从事单核纳米孔制备及其应用研究；目前在北京大学物理学院从事离子束物理及其在生物和纳米科学中应用的研究。