经过几十年的小型化，我们赖以生产计算机和现代技术的电子元件现在开始达到基本极限。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。
量子技术利用了原子层面上支配粒子的奇怪规则，通常被认为太过脆弱，与我们每天在手机、笔记本电脑和汽车上使用的电子产品无法共存。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:用碳化硅制造的常用电子设备可以集成和控制量子态。
“在商业电子中创造和控制高性能量子比特的能力是一个惊喜，”首席研究员David Awschalom说，他是芝加哥大学分子工程学的Liew家族教授，也是量子技术的先驱。“这些发现改变了我们对发展量子技术的看法——也许我们可以找到一种方法，利用今天的电子技术来建造量子设备。”
在发表于《科学与科学进展》(Science and Science Advances)杂志上的两篇论文中，Awschalom的团队证明，他们可以用电来控制嵌入碳化硅中的量子态。这一突破可能提供一种更容易设计和制造量子电子的方法，而不是使用科学家通常需要用于量子实验的外来材料，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的好处，那就是可以发射出波长接近电信波段的单粒子光。阿贡国家实验室高级科学家、芝加哥量子交易所主任Awschalom说:“这使得它们非常适合通过光纤网络进行长距离传输，而光纤网络已经传输了全世界90%的国际数据。”
此外，当与现有的电子元件结合时，这些光粒子可以获得令人兴奋的新特性。例如，在《科学进展》(Science Advances)杂志上的一篇论文中，该团队创造出了Awschalom所称的“量子调频收音机”(quantum FM radio);
该论文的第一作者、研究生Kevin Miao说:“所有的理论都表明，为了在材料中实现良好的量子控制，材料应该是纯净的，没有波动的场。”“我们的研究结果表明，通过合理的设计，一种设备不仅可以减少这些杂质，还可以创造出以前不可能实现的额外控制形式。”
在《科学》杂志的论文中，他们描述了解决量子技术中一个非常普遍的问题的第二个突破:噪声。
“杂质在所有半导体器件中都很常见，在量子层面，这些杂质可以通过制造一个嘈杂的电子环境来扰乱量子信息，”该论文的第一作者之一、研究生克里斯·安德森(Chris Anderson)说。“这是量子技术的一个近乎普遍的问题。”
但是，通过使用电子的基本元素之一——二极管，一种电子的单向开关——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声，而且几乎完全稳定。
“在我们的实验中，我们需要使用激光，不幸的是，它会使周围的电子相互碰撞。这就像电子椅游戏;当灯光熄灭时，一切都停止了，但形式不同，”论文的另一位共同第一作者、研究生亚历山大·布拉萨(Alexandre Bourassa)说。“问题是电子的这种随机配置会影响我们的量子态。但我们发现，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成熟的经典半导体技术相结合，Awschalom和他的团队正在为即将到来的量子技术革命铺平道路。
Awschalom说:“这项工作使我们离实现能够在全球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种新的技术，允许创建不可攻破的通信通道，实现单电子态的隐形传态，实现量子互联网。”
研究团队使用了芝加哥材料研究中心和普利兹克纳米制造设备。Awschalom还与芝加哥大学(University of Chicago)波尔斯基创业与创新中心(Polsky Center for Entrepreneurship and Innovation)合作，推进这些发现。
引用:
- “可扩展半导体器件中集成了单自旋的光电控制。《科学》，安德森和布拉萨等人，2019年12月6日。
- 电子驱动光学干涉术与自旋碳化硅。《科学的进步》，缪等人，2019年11月22日。
资助:国家科学基金会、国防部、空军科研办公室、海军研究办公室、国防高级研究计划局、日本科学促进会、瑞典能源部和瑞典研究委员会、卡尔·特里格斯科学研究基金会、克努特和爱丽丝·瓦伦堡基金会。