通過量子科學(xué)技術(shù)的支持，研究人員可以更好地了解自然世界，并利用量子優(yōu)越性造福社會。它們將改變醫(yī)療保健、交通和通信，并增強抵御網(wǎng)絡(luò)威脅和氣候災(zāi)難的能力。例如，量子磁場傳感器將實現(xiàn)功能性腦成像；量子光通信將實現(xiàn)加密通信；量子計算機將促進下一代光伏和藥物材料的發(fā)現(xiàn)。

目前，這些技術(shù)依賴于昂貴且復(fù)雜的材料，并且通常需要昂貴且笨重的超低溫冷卻設(shè)備才能運行。這些設(shè)備依賴于液氦等貴重商品，如今，隨著全球供應(yīng)的減少，液氦變得越來越昂貴。2023年，量子材料將會革新，這也將改變量子技術(shù)的發(fā)展。除了降低環(huán)境要求外，這些材料還將可以在室溫操作、節(jié)能、成本降低，加工要求也更簡單。為了優(yōu)化其量子特性，研究實驗室可以操縱化學(xué)結(jié)構(gòu)和分子堆積。物理學(xué)家和工程師們一直在努力，到2023年，這些材料將從科學(xué)實驗室轉(zhuǎn)移到現(xiàn)實世界。

最近，英國工程和物理科學(xué)研究委員會宣布了一項量子技術(shù)材料創(chuàng)新計劃，該計劃由倫敦帝國理工學(xué)院和曼徹斯特大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)。倫敦納米技術(shù)中心由帝國理工學(xué)院、國王學(xué)院和倫敦大學(xué)學(xué)院的數(shù)百名研究人員合作，在量子系統(tǒng)的模擬和表征方面擁有豐富的專業(yè)知識。國家物理實驗室是英國的測量之家，它剛剛開設(shè)了量子計量研究所，它耗資數(shù)百萬英鎊，致力于量子技術(shù)的表征、驗證和商業(yè)化。研究人員將和行業(yè)共同努力，力爭開創(chuàng)制藥、密碼學(xué)和網(wǎng)絡(luò)安全新時代。

量子比特是構(gòu)建量子計算機的基礎(chǔ)，依賴于具有量子特性的材料，如電子自旋等特性。一旦我們能夠利用這些特性，就可以使用光和磁場來控制它們，從而產(chǎn)生量子現(xiàn)象，例如糾纏和疊加。超導(dǎo)量子比特是目前最先進的量子比特技術(shù)，包括約瑟夫森結(jié)，在-273oC的超低溫下作為超導(dǎo)體運行。苛刻的溫度和高頻工作要求意味著，即使是這些超導(dǎo)量子比特的最基本的電介質(zhì)，也很難設(shè)計。目前，量子比特包括氮化硅和氧化硅等材料，由于它們有很多缺陷，以至于量子比特必須具有毫米大小才能存儲電場能量，相鄰量子比特之間的串擾會引入相當大的噪聲。使用這些材料，很難獲得實用量子計算機所需的數(shù)百萬個量子比特。

2023年，量子技術(shù)材料設(shè)計將出現(xiàn)更多創(chuàng)新。迄今為止，有很多被看好的候選材料，例如，具有氮空位缺陷的鉆石，van der Waals/2D材料和高溫超導(dǎo)體。在這些候選材料中，分子材料的使用尤其令人興奮。這些材料是圍繞碳基有機半導(dǎo)體設(shè)計的，碳基有機半導(dǎo)體是用于可擴展制造電子產(chǎn)品的一類既定材料，它徹底改變了價值數(shù)十億美元的OLED顯示器行業(yè)。可以使用化學(xué)來控制它們的光學(xué)和電子特性，它們的基礎(chǔ)設(shè)施依賴于既定的專業(yè)知識。

例如，手性分子材料，它作為一對不可疊加的鏡像存在的分子，將徹底改變量子技術(shù)。這些用途廣泛的分子薄層可用于在室溫下控制電子的自旋。同時，金屬酞菁的自旋相干時間長，具有良好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，它們將用來攜帶量子信息。

可以預(yù)見，2023年必定會出現(xiàn)更多關(guān)于量子計算機運行速度的頭條新聞，與此同時，材料科學(xué)家將研究、發(fā)現(xiàn)和設(shè)計下一代低成本、高效率和可持續(xù)的量子技術(shù)。

編譯：卉可

編輯：慕一