博科園：本文為量子物理學(xué)類(lèi)
經(jīng)過(guò)幾十年的小型化，我們所依賴(lài)的計算機和現代技術(shù)所依賴(lài)的電子元件現在已達到基本極限，面對這一挑戰，世界各地的工程師和科學(xué)家正在轉向一種全新的范式：量子信息技術(shù)。量子技術(shù)利用了在原子水平上支配粒子的奇怪規則，通常被認為過(guò)于微妙，不能與我們每天在手機、筆記本電腦和汽車(chē)中使用的電子產(chǎn)品共存。然而，芝加哥大學(xué)普利茲克分子工程學(xué)院的科學(xué)家們宣布了一項重大突破：量子態(tài)可以集成并控制在由碳化硅制成的常用電子設備中。
芝加哥大學(xué)分子工程的劉家族教授，也是量子技術(shù)的先驅?zhuān)紫芯繂T大衛·奧沙勒姆(David Awschalom)說(shuō)：在商業(yè)電子中創(chuàng )造和控制高性能量子位的能力令人驚訝，這些發(fā)現改變了我們對發(fā)展量子技術(shù)的看法，也許可以找到一種方法，利用當今的電子學(xué)來(lái)建造量子設備。在《科學(xué)》與《科學(xué)進(jìn)展》期刊上發(fā)表的兩篇研究論文中，Awschalom的研究小組，證明了他們可以對嵌入在碳化硅中的量子態(tài)進(jìn)行電控制。這一突破可能會(huì )提供一種更容易設計和建造量子電子的方法。
與科學(xué)家通常需要用于量子實(shí)驗的奇異材料形成對比，比如超導金屬、懸浮原子或鉆石。碳化硅中的這些量子態(tài)還有一個(gè)額外好處，那就是發(fā)射出波長(cháng)接近電信波段的單個(gè)光粒子。阿爾貢國家實(shí)驗室(Argonne National Laboratory)資深科學(xué)家、芝加哥量子交易所(Chicago Quantum Exchange)主任奧沙洛姆(Awschalom)說(shuō)：這使得它們非常適合通過(guò)相同的光纖網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行遠程傳輸，該網(wǎng)絡(luò )已經(jīng)傳輸了全球90%的國際數據。此外，當這些輕粒子與現有的電子器件結合時(shí)，可以獲得令人興奮的新性質(zhì)。
例如，在發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》期刊上的論文中，該團隊能夠創(chuàng )造出Awschalom所稱(chēng)的“量子調頻收音機”；就像音樂(lè )被傳輸到你的汽車(chē)收音機一樣，量子信息可以被發(fā)送到極遠的距離。論文的第一作者，研究生凱文·苗(Kevin Miao)說(shuō)：所有的理論都表明，為了在一種材料中實(shí)現良好的量子控制，它應該是純凈的，沒(méi)有波動(dòng)場(chǎng)，結果表明，通過(guò)適當的設計，一種設備不僅可以減少這些雜質(zhì)，而且還可以創(chuàng )造出以前不可能實(shí)現的額外控制形式。在發(fā)表在《科學(xué)》期刊上的研究論文中，他們描述了第二個(gè)突破，解決了量子技術(shù)中一個(gè)非常常見(jiàn)的問(wèn)題：
噪音。該論文的第一作者、研究生克里斯·安德森(Chris Anderson)表示：雜質(zhì)在所有半導體器件中都很常見(jiàn)，在量子層面上，這些雜質(zhì)可以通過(guò)制造嘈雜的電子環(huán)境來(lái)擾亂量子信息，對于量子技術(shù)來(lái)說(shuō)，這幾乎是一個(gè)普遍存在的問(wèn)題。但是，通過(guò)使用電子學(xué)的基本元素之一的二極管，即電子的單向開(kāi)關(guān)，研究小組發(fā)現了另一個(gè)意想不到的結果：量子信號突然變得沒(méi)有噪音，幾乎完全穩定。論文的另一位合著(zhù)者、研究生亞歷山大·布拉薩(Alexandre Bourassa)說(shuō)：在實(shí)驗中需要使用激光，不幸的是，這會(huì )讓電子相互碰撞。
這就像是電子和音樂(lè )椅的游戲；當光線(xiàn)熄滅時(shí)，一切都停止了，但配置不同了。問(wèn)題是，這種隨機的電子構型會(huì )影響量子態(tài)。但發(fā)現，施加電場(chǎng)會(huì )將電子從系統中移除，使系統更加穩定。通過(guò)將量子力學(xué)的奇異物理與發(fā)達的經(jīng)典半導體技術(shù)相結合，研究團隊正在為即將到來(lái)的量子技術(shù)革命鋪平道路。這項研究使我們離實(shí)現能夠在世界各地的光纖網(wǎng)絡(luò )中，存儲和分發(fā)量子信息的系統又近了一步。這樣的量子網(wǎng)絡(luò )將帶來(lái)一類(lèi)新技術(shù)，能創(chuàng )建不可竊聽(tīng)的通信信道，單電子態(tài)的隱形傳態(tài)和量子互聯(lián)網(wǎng)的實(shí)現。
博科園｜研究/來(lái)自：芝加哥大學(xué)
參考期刊《科學(xué)》《科學(xué)進(jìn)展》
DOI: 10.1126/science.aax9406
DOI: 10.1126/sciadv.aay0527
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