声称某件产品存在缺陷通常表明存在不受欢迎的功能。在固态系统(例如现代古典电子设备核心的半导体)中并非如此。它们之所以起作用,是因为在硅等晶体材料中,原子的刚性有序排列引入了缺陷中国机械网okmao.com。令人惊讶的是,在量子世界中,缺陷也起着重要的作用。
美国能源部(DOE)的阿贡国家实验室,芝加哥大学以及日本,韩国和匈牙利的科研机构和大学的研究人员已经建立了准则,这将是发现基于缺陷的新量子系统的宝贵资源。国际小组在《自然评论》材料中发布了这些准则。
这样的系统在量子通信,传感和计算中有可能的应用,从而可能对社会产生变革性的影响。量子通信可以在远距离上稳健而安全地分配量子信息,从而使量子互联网成为可能。量子感测可以达到具有生物学,天文,技术和军事利益的测量灵敏度,这是前所未有的。量子计算可以可靠地模拟直至原子级的物质行为,并可能模拟和发现新药物。
该团队基于对过去几十年中获得的有关固态材料自旋缺陷的大量知识的广泛回顾,得出了他们的设计指南。
Argonne分子工程与材料科学中心以及芝加哥大学普利兹克大学分子工程学院的科学家约瑟夫·赫里曼斯(Joseph Heremans)解释说:“我们感兴趣的缺陷是晶体中原子有序排列中的孤立畸变。” 。
这种变形可能包括由于去除了作为掺杂剂添加的原子或杂质而产生的空穴或空位。这些畸变又可以将电子捕获在晶体内。这些电子具有称为自旋的性质,该性质充当隔离的量子系统。
“自旋是关键的量子性质,自旋缺陷可以以类似于物理学家称之为量子位的形式,以物理学家称为量子位或量子位的形式保存量子信息,”阿贡大学分子工程中心助理科学家加里·沃尔福威兹补充说。和材料科学部门,以及芝加哥大学普利兹克大学分子工程学院。
几十年来,科学家一直在研究这些自旋缺陷,以创建各种各样的概念验证设备。然而,先前的研究仅集中于一个或两个领先的候选量子位。
芝加哥大学普利兹克大学分子工程学院的博士后学者克里斯托弗·安德森说:“多年来,我们的研究领域一直很狭窄。” “就像我们在量子竞赛中只有几匹马一样。但是现在我们了解到还有许多其他的量子马可以支持,以及这些马到底要寻找什么。”
该团队的指导方针涵盖了缺陷的性质以及选择用于保留缺陷的材料的性质。关键缺陷性质是自旋,光学(例如,光如何与捕获的电子的自旋相互作用)以及缺陷的电荷状态。
可能的固态材料不仅包括已经研究透彻的少数材料,如硅,金刚石和碳化硅,还包括其他较新的条目,例如各种氧化物。所有这些材料在指南中都有不同的优点和缺点。例如,钻石清晰而坚硬,但价格昂贵。另一方面,硅很容易以低成本制造器件,但更容易受到自由电荷和温度的影响。
Heremans指出:“我们的指南可供量子科学家和工程师用来评估缺陷性质与所选基质材料之间的相互作用,从而设计出针对某些特定应用量身定制的新量子比特。”
安德森继续说:“自旋缺陷在创建新的量子设备中起着核心作用,无论它们是小型量子计算机,量子互联网还是纳米级量子传感器。” “通过利用对自旋缺陷的广泛了解来得出这些准则,我们奠定了基础,以便量子劳动者-现在和将来-可以从头开始设计用于特定用途的完美量子比特。”
Wolfowicz说:“我们为我们的准则感到特别自豪,因为目标用户从资深量子科学家扩展到其他领域的研究人员,以及希望加入量子劳动力的研究生。”
这项工作还为设计可扩展的半导体量子器件奠定了基础,并与由阿贡(Doonne)领导的美国能源部资助的量子信息科学研究中心Q-NEXT完美地吻合。Q-NEXT的目标包括建立半导体量子“代工厂”,以开发量子互连和传感器。
“我们的团队指导方针将作为一个蓝图,帮助指导Q-NEXT在设计下一代量子材料和器件方面的使命,”阿贡大学材料科学系资深科学家,戴维·莱斯大学分子工程系教授David Awschalom说。芝加哥普利兹克分子工程学院的院士,芝加哥量子交易所和Q-NEXT的主任。“在涉及自旋的量子技术时,这项工作奠定了基础,并告知该领域如何向前发展。”
这项研究主要由美国能源部科学办公室提供支持。