美国能源部阿贡国家实验室、芝加哥大学以及日本、韩国和匈牙利的机构的研究人员提供了一个课程蓝图正在迅速成为量子科学重要参与者的材料：有缺陷的晶体。
Argonne 领导的研究团队已经为一类特殊的量子比特材料编写了蓝图。他们的工作在本月的 Nature Reviews Materials 封面上有特色。（图片由芝加哥大学提供。）
缺陷——故意嵌入晶体结构中的不规则性——就像量子粒子的陷阱。在最基本的形式中，这些系统被称为量子位，量子信息的基本单位。
该研究团队在 Nature Reviews Materials 上发表的文章是完全致力于量子系统开发的几篇文章之一。
“《自然评论》将整个问题都集中在量子比特材料这一主题上，这表明该研究领域的突出地位，”该文章的主要作者、阿贡高级科学家、芝加哥大学刘氏家族分子工程和物理学教授大卫·奥沙洛姆 (David Awschalom) 说，芝加哥量子交易所董事。“我们正在移动的量子科学转化为可用的，可扩展的设备的境界。开发量子材料是这项工作的基础。”
混搭“量子”和“位”的量子位对应于传统计算位。它的物理实现可以有多种形式：它可能是实验室制造的分子。或者它可能是一个在专门的超导电路中传播的电子。
它也可能是被困在钻石斑点深处的缺陷中的光粒子。这种晶体缺陷材料家族是 Awschalom 团队研究的重点，它们有一个奇特的名字：固态自旋量子位。（术语自旋是指科学家用来处理信息的电子的量子特性。固态材料包括绝缘体或半导体，例如金刚石或硅。）
Awschalom 说：“半导体量子位的一个优势是，您可以利用半导体行业中很容易获得的许多固态技术：集成设备和电路以及固态系统附带的纳米制造和处理。”
研究人员根据它们的使用方式设计量子位，无论是在 计算、 通信 还是传感中，开辟了处理信息的强大新方法。量子传感器有望以当今传感器分辨率的许多倍运行，从而能够在分子水平上研究人体细胞。量子通信网络有望实现防黑客信息的传输。量子计算机将能够快速完成复杂的模拟，例如制药行业中使用的模拟，从而实现更快的药物输送。
实用量子比特的开发是量子未来的关键。在 Awschalom 团队关于固态自旋量子比特材料的手册中，研究人员列出了它们的特性、工程考虑和潜在应用。
“我们的目标是与材料无关。我们不会就开发量子设备应该使用什么材料提出直接建议，”共同作者、阿贡和芝加哥大学的科学家 F. Joseph Heremans 说。“相反，我们的意思是说，如果你即将从地上爬起来设计这些设备的思维，这些都是你要考虑的属性和行为。”
主体材料和缺陷都被考虑在内。
它突出了缺陷与主体材料之间错综复杂的相互作用，以及需要针对特定应用进行平衡的复杂特性，”Heremans 说。
例如，许多量子通信设备被设计为与当今发送和接收红外信号的电信光纤兼容。传输红外光谱而非可见光范围内的光的量子比特材料更适合此类设备。
另一方面，量子传感设备通常被设计为从附近的源中获取信号。由于量子传感器不受同样严格的长距离光纤限制，因此它们往往适用于传输在可见光谱中容易检测到的光的材料。
研究团队的蓝图是 对固态自旋缺陷10多年研究的成果。
“这可以成为进入该领域或对此感到好奇的人的资源——研究生、博士后、撰写研究计划的人，”共同作者、阿贡科学家、芝加哥大学教授 Giulia Galli 说。“有了这套准则意味着他们将不必推倒重来。他们可以使用本指南来考虑我们如何看待量子位以及它们所具有的所有复杂属性。”
谁知道呢——该团队的蓝图可能会成为未来包含所有量子材料的量子比特纲要中的一章。
“我们正处于量子信息领域从科学转向工程的门槛。实用的量子技术即将出现，材料开发是我们实现它们的最大挑战之一，”Awschalom 说。“作为一个集合，用于研究和激励人们自然评论文章提出了有趣的途径广泛地思考这个快速增长的量子材料的面积。”
这项工作得到了美国能源部科学办公室、基础能源科学、材料科学和工程部的支持。
