量子技术有潜力帮助创建下一代计算机、传感器和通信网络，但这样做需要建立一个可伸缩的平台，在这个平台上，量子位(“量子位”)可以单独控制，并长期保存信息。
在一项新的研究中，芝加哥大学的科学家们成功做到了这一点。该团队演示了用碳化硅来控制原子量子存储器。碳化硅是电动车和LED灯泡中常见的材料。然后，他们利用这种控制创造了一个“纠缠态”，代表了量子存储器和被困在半导体材料中的电子之间的联系。
这项研究发表在9月21日的《自然材料》(Nature Materials)上，它有效地展示了一个人如何在单个原子的核心上编码和写入量子信息，从而开启了构建量子比特的潜力，使其能够在极长时间内保持运作，或者说是“相干”。根据作者的说法，这项研究结果对量子计算有着重要的意义。
“就像台式电脑有不同用途的不同类型的内存一样，我们预想量子技术也会有类似的需求，”共同第一作者Alexandre Bourassa说，他是芝加哥大学普利兹克分子工程学院的研究生。“我们被捕获的电子就像一个CPU，不同的核自旋可以有效地用作量子RAM和硬盘，提供中长期的量子信息存储。”
半导体材料是通过电子键将原子核排列在一起。一些但不是所有的原子核具有一种称为“自旋”的特性，这使它们能够像微小的量子磁体一样运动。有自旋的原子核可以用来编码量子信息。
“原子核自旋是我们所知道的最健壮的量子系统之一，”共同第一作者、芝加哥大学博士后学者克里斯·安德森(Chris Anderson)说。“它们的量子状态可以持续数小时甚至数天。这使它们成为构建量子存储器的理想材料。在一个大多数量子技术只能将信息保存几分之一秒的世界里，这是一种永恒。”
为了与这些原子核相互作用，科学家们使用了与核磁共振成像(MRI)类似的技术，只是用一个电子取代了笨重的磁室。利用这种“原子尺度MRI”，科学家们能够定位和控制形成单个原子核心的原子核。
“关键在于精确控制携带期望自旋的原子核数量。如果太少,将在设备没有足够可用的记忆,但是如果有太多,可能不会被孤立和独立控制它们,”合著者研究生尼基塔Onizhuk说他开发了一个理论模型来解释和指导实验突破。
“整合理论、计算和实验对于优化这些量子存储器至关重要，”芝加哥大学电子结构和模拟刘家教授、阿贡国家实验室资深科学家朱利亚·加利(Giulia Galli)说。在与理论和材料生长合作者的合作下，该团队证明了优化这些量子存储器是可能的。
“我们相信,我们可以开发材料的高质量的量子记忆足迹在小于一个先进的晶体管你会发现在当今集成电路,”David Awschalom说刘家族在自旋电子学和量子信息在普利兹克学校教授的分子工程。Awschalom也是Argonne的资深科学家，芝加哥量子交换中心的主任，Q-NEXT(由Argonne国家实验室领导的能源部国家量子信息科学研究中心)的主任。
Awschalom补充说，这项工作为在半导体器件中创建量子技术建立了必要的关键组件，并将成为未来量子互联网的一个重要平台。
引用:“同位素工程碳化硅中单核自旋的纠缠和控制”，A. Bourassa, C. P. Anderson等人，《自然材料》，2020年9月21日。DOI: 10.1038 / s41563 – 020 – 00802 – 6
资助:美国国防部高级研究计划局、空军科学研究办公室、海军研究办公室、日本科学促进协会、瑞典能源机构、瑞典研究委员会、Vetenskaplig Forskning的Carl Tryggers Stiftelse以及克努特和爱丽丝瓦伦堡基金会