经过几十年的小型化，我们所依赖的计算机和现代技术所依赖的电子元件现在已达到基本极限，面对这一挑战，世界各地的工程师和科学家正在转向一种全新的范式：量子信息技术。量子技术利用了在原子水平上支配粒子的奇怪规则，通常被认为过于微妙，不能与我们每天在手机、笔记本电脑和汽车中使用的电子产品共存。然而，芝加哥大学普利兹克分子工程学院的科学家们宣布了一项重大突破：量子态可以集成并控制在由碳化硅制成的常用电子设备中。
芝加哥大学分子工程的刘家族教授，也是量子技术的先驱，首席研究员大卫·奥沙勒姆(David Awschalom)说：在商业电子中创造和控制高性能量子位的能力令人惊讶，这些发现改变了我们对发展量子技术的看法，也许可以找到一种方法，利用当今的电子学来建造量子设备。在《科学》与《科学进展》期刊上发表的两篇研究论文中，Awschalom的研究小组，证明了他们可以对嵌入在碳化硅中的量子态进行电控制。这一突破可能会提供一种更容易设计和建造量子电子的方法。
与科学家通常需要用于量子实验的奇异材料形成对比，比如超导金属、悬浮原子或钻石。碳化硅中的这些量子态还有一个额外好处，那就是发射出波长接近电信波段的单个光粒子。阿尔贡国家实验室(Argonne National Laboratory)资深科学家、芝加哥量子交易所(Chicago Quantum Exchange)主任奥沙洛姆(Awschalom)说：这使得它们非常适合通过相同的光纤网络进行远程传输，该网络已经传输了全球90%的国际数据。此外，当这些轻粒子与现有的电子器件结合时，可以获得令人兴奋的新性质。
例如，在发表在《科学进展》期刊上的论文中，该团队能够创造出Awschalom所称的“量子调频收音机”；就像音乐被传输到你的汽车收音机一样，量子信息可以被发送到极远的距离。论文的第一作者，研究生凯文·苗(Kevin Miao)说：所有的理论都表明，为了在一种材料中实现良好的量子控制，它应该是纯净的，没有波动场，结果表明，通过适当的设计，一种设备不仅可以减少这些杂质，而且还可以创造出以前不可能实现的额外控制形式。在发表在《科学》期刊上的研究论文中，他们描述了第二个突破，解决了量子技术中一个非常常见的问题：噪音。
该论文的第一作者、研究生克里斯·安德森(Chris Anderson)表示：杂质在所有半导体器件中都很常见，在量子层面上，这些杂质可以通过制造嘈杂的电子环境来扰乱量子信息，对于量子技术来说，这几乎是一个普遍存在的问题。但是，通过使用电子学的基本元素之一的二极管，即电子的单向开关，研究小组发现了另一个意想不到的结果：量子信号突然变得没有噪音，几乎完全稳定。论文的另一位合著者、研究生亚历山大·布拉萨(Alexandre Bourassa)说：在实验中需要使用激光，不幸的是，这会让电子相互碰撞。
这就像是电子和音乐椅的游戏；当光线熄灭时，一切都停止了，但配置不同了。问题是，这种随机的电子构型会影响量子态。但发现，施加电场会将电子从系统中移除，使系统更加稳定。通过将量子力学的奇异物理与发达的经典半导体技术相结合，研究团队正在为即将到来的量子技术革命铺平道路。这项研究使我们离实现能够在世界各地的光纤网络中，存储和分发量子信息的系统又近了一步。这样的量子网络将带来一类新技术，能创建不可窃听的通信信道，单电子态的隐形传态和量子互联网的实现。
博科园｜研究/来自：芝加哥大学
参考期刊《科学》《科学进展》
DOI: 10.1126/science.aax9406
DOI: 10.1126/sciadv.aay0527
关键词：
量子信息技术
量子态