达特茅斯工程研究为可访问的量子信息技术铺平了道路

“我们的工作为加速量子缺陷的发现和设计铺平了道路，旨在确定哪些杂质在引入硅时可以为量子信息技术创建功能性和可访问的量子比特，”熊说。

这项由美国能源部资助的研究名为“硅中自旋光子界面的高通量识别”，是达特茅斯学院与比利时和加利福尼亚州伯克利的研究人员之间的合作。我们与达特茅斯工程学教授兼通讯作者Geoffroy Hautier讨论了这些发现的全部意义：

这项工作的总体目标是什么？

我们正在帮助推进量子信息技术的实施，该技术涵盖了您对信息所做的一切——计算、发送和存储——但使用量子力学的“奇怪”定律。今天的微电子技术已经是以硅为基础的，但我们正试图用硅做其他事情。

硅中的缺陷如何是一件好事？

有趣的是，在材料科学中，缺陷并不总是负面的。有时，例如对于太阳能电池，您希望摆脱缺陷并尽可能地净化您的材料。其他时候，例如对于合金的某些机械性能，您可以添加缺陷以使其更好。所以这要看情况。

在这里，我们帮助设计某些缺陷，某些杂质，以发挥我们的优势。我们正在研究所谓的点缺陷，因为它们只是一个或两个原子被另一个原子取代。所以，例如，你拿一个硅原子，然后用钛代替。

有时你会在硅中得到杂质，因为它只是在环境中——比如碳或氧，因为它们就在我们周围。但你也可以故意放进缺陷。例如，我们在微电子学中添加了故意缺陷，以控制半导体的电导率。

为什么硅是首选材料？

硅是一种重要的材料，因为它可以大规模生产并且可以非常纯净。因此，对于我们正在努力做的事情来说，这是一个很好的材料。有一个成熟的价值数十亿美元的行业，您可以信赖。所有计算机都是基于硅的。

因此，我们正在筛选，看看如果我在硅中添加一点点东西——微量，也许是1000个原子中的一个原子，我是否可以利用这种杂质，这种缺陷来做一些与量子应用有关的事情？

什么是“量子应用”？

量子应用的想法是利用物质的奇怪力学，例如所谓的“叠加”。叠加是指原子粒子可以同时具有未定义值或多个值的方式。因此，它可以同时是零和一。在标准计算中，0 和 1 称为位。在量子计算中，它们被称为量子比特。但是，量子比特不是具有“0 0 1 1”或任何数字等特定状态，而是可以同时处于多种可能性的状态。

这就是为什么使用精心设计的算法，您可以更快地解决问题。因为与其说“我正在计算这个数字加上这个数字”，不如同时计算数十亿个数字并获得数十亿个结果。这就是量子计算的理念。

速度是最大的优势吗？

不是所有问题，但某些问题可以更快地解决。例如，我们正在模拟电子在材料中的行为，这可以用来设计新材料或新药——它可以用于许多很酷和重要的事情。这些问题在普通计算机上需要很长时间。量子计算机为建模和理解物质开辟了一条全新的道路。

由于发送信息的方式的性质，量子通信也很有用。量子系统可以提供世界上最安全的传输，因为您可以在物理上知道该信息是否在到达您之前已被读取。

例如，如果你观察以特定方式在某种量子态下制备的光子，你实际上可以看到是否有人看过你之前的光子。这是终极安全。

这就是我们在这里所做的联系，因为这些硅缺陷的应用之一是特别用于量子通信，其中计算机通过发光相互通信。

量子计算机现在存在吗？

现在有一些你可以用来解决问题，但它们太小了。比方说，他们有十个量子比特，但他们需要 1000 或 100 万个。因此，最大的挑战之一是扩大规模，使它们足够大以竞争。这样做有很多挑战，要使这些技术变得更好，涉及很多材料科学。

你的工作如何与这个目标相适应？

我们正在做的主要是与量子通信有关。量子信息科学领域有许多分支，其中包括计算和通信——发送量子信息。量子通信与计算有关，因为如果你有十台量子计算机，它们需要相互通信。这就是我们让它们变大的一个方法，就是让十个不同的人相互交谈。

筛选方法中是否有人工智能成分？

目前还没有，但将来可能会有，因为我们正在构建数据。这项工作的第一步是建立一个硅缺陷数据库，用于将它们用于量子信息的特定应用。我们研究了硅中可能出现的每一个简单缺陷，并开始决定，“好吧，这个很有趣。这个就没那么有趣了。等等，等等。

从实验上讲，测试所有这些是极其困难的。因此，我们建议进行哪些实验，并从中学习——哪些有效，哪些无效——并不断改进我们的模型。

这个缺陷数据库在哪里？

作为这个项目的一部分，我们在 defectgenome.org 建立了一个名为“量子缺陷基因组”的网站。它仍在建设中。我们在论文中公布了数据，但使用起来并不容易。我们希望人们更容易完成一些操作，这将是一个很酷的平台，可以不断发布数据。

大约有10年前，研究机构发起了一种叫做“材料基因组计划”（Materials Genome Initiative）的计划，旨在促进信息学和数据在材料中的应用。这个想法是根据非常大的数据找出材料的基因——是什么使材料具有某些特性。

我们的工作在这方面是一个很好的转折。我们正在做缺陷基因组，专注于材料中的缺陷。

作为一名材料科学家，您是否希望从事信息技术方面的工作？

对我来说，这是一件很自然的事情，因为我们拥有计算机的原因——它有很多材料科学。它了解硅的物理和化学。如何蚀刻或去除硅的某些部分？你如何处理表面？所有这些事情。硅改变了世界。所有的计算，所有的智能手机，所有这些东西都离不开硅和材料科学。

由于传统的微电子和信息技术依赖于材料科学的进步，量子信息技术这一新领域也发生了类似的事情。量子技术的实际实施将需要材料科学。