經(jīng)過幾十年的小型化，我們所依賴的計(jì)算機(jī)和現(xiàn)代技術(shù)所依賴的電子元件現(xiàn)在已達(dá)到基本極限，面對這一挑戰(zhàn)，世界各地的工程師和科學(xué)家正在轉(zhuǎn)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(guī)則，通常被認(rèn)為過于微妙，不能與我們每天在手機(jī)、筆記本電腦和汽車中使用的電子產(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(xiàng)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(shè)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(qū)，首席研究員大衛(wèi)·奧沙勒姆(David Awschalom)說：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(xiàn)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(dāng)今的電子學(xué)來建造量子設(shè)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。這一突破可能會提供一種更容易設(shè)計(jì)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(yàn)的奇異材料形成對比，比如超導(dǎo)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)射出波長接近電信波段的單個(gè)光粒子。阿爾貢國家實(shí)驗(yàn)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：這使得它們非常適合通過相同的光纖網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸，該網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)傳輸了全球90%的國際數(shù)據(jù)。此外，當(dāng)這些輕粒子與現(xiàn)有的電子器件結(jié)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(tuán)隊(duì)能夠創(chuàng)造出Awschalom所稱的“量子調(diào)頻收音機(jī)”；就像音樂被傳輸?shù)侥愕钠囀找魴C(jī)一樣，量子信息可以被發(fā)送到極遠(yuǎn)的距離。論文的第一作者，研究生凱文·苗(Kevin Miao)說：所有的理論都表明，為了在一種材料中實(shí)現(xiàn)良好的量子控制，它應(yīng)該是純凈的，沒有波動場，結(jié)果表明，通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)，一種設(shè)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(xiàn)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)非常常見的問題：

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(dǎo)體器件中都很常見，在量子層面上，這些雜質(zhì)可以通過制造嘈雜的電子環(huán)境來擾亂量子信息，對于量子技術(shù)來說，這幾乎是一個(gè)普遍存在的問題。但是，通過使用電子學(xué)的基本元素之一的二極管，即電子的單向開關(guān)，研究小組發(fā)現(xiàn)了另一個(gè)意想不到的結(jié)果：量子信號突然變得沒有噪音，幾乎完全穩(wěn)定。論文的另一位合著者、研究生亞歷山大·布拉薩(Alexandre Bourassa)說：在實(shí)驗(yàn)中需要使用激光，不幸的是，這會讓電子相互碰撞。

這就像是電子和音樂椅的游戲；當(dāng)光線熄滅時(shí)，一切都停止了，但配置不同了。問題是，這種隨機(jī)的電子構(gòu)型會影響量子態(tài)。但發(fā)現(xiàn)，施加電場會將電子從系統(tǒng)中移除，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定。通過將量子力學(xué)的奇異物理與發(fā)達(dá)的經(jīng)典半導(dǎo)體技術(shù)相結(jié)合，研究團(tuán)隊(duì)正在為即將到來的量子技術(shù)革命鋪平道路。這項(xiàng)研究使我們離實(shí)現(xiàn)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(tǒng)又近了一步。這樣的量子網(wǎng)絡(luò)將帶來一類新技術(shù)，能創(chuàng)建不可竊聽的通信信道，單電子態(tài)的隱形傳態(tài)和量子互聯(lián)網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)。

博科園｜研究/來自：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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