一項新的研究在日常材料中發(fā)現(xiàn)了量子效應(yīng)，這可能為量子計算機和極其敏感的測量設(shè)備提供一種新方法。

從某種意義上說，這項研究只是向前邁出了一小步，因為這些量子效應(yīng)已經(jīng)在其他材料和實驗裝置中得到了很好的研究和理解。但在另一方面，它可能是一個重要的出發(fā)點，因為找到在廉價、易獲得的日常材料中操縱這種亞微觀現(xiàn)象的方法，可能會解決當(dāng)今量子技術(shù)的悖論。

這個悖論是這樣的：如果量子態(tài)——例如單個電子的自旋——很容易被操縱并與其他單個電子自旋糾纏，那么它們開啟一個應(yīng)用的聚寶盆，包括量子計算機、微型原子鐘、GPS裝置，以及極其精密的測量設(shè)備，如納米級顯微鏡、高靈敏度的加速度計和能夠檢測氣體沉積物、生物分子和大規(guī)模殺傷性武器的探測杖。

但就目前而言，開發(fā)這種微小的技術(shù)潛力通常需要巨大而笨拙的實驗室設(shè)備，如真空室，低溫冷卻器和激光原子阱。這就是為什么發(fā)現(xiàn)合適的宿主材料會如此重要。微型設(shè)備或微芯片中的微量子技術(shù)將是革命性的。

這項新研究發(fā)表在1月15日出版的Nature Communications上，它關(guān)注的是很像碳超材料石墨烯的一種六邊形網(wǎng)格中的極薄二維材料層。但與導(dǎo)電石墨烯不同的是，這種被稱為六方氮化硼（h-BN）的材料是半導(dǎo)體。

就像使計算機革命成為可能一樣的上世紀(jì)40年代和50年代的半導(dǎo)體突破一樣，h-BN的發(fā)現(xiàn)利用了這種材料晶格的缺陷。某些缺陷——盡管研究人員還沒有發(fā)現(xiàn)——似乎屏蔽了半導(dǎo)體寬帶隙內(nèi)深處的單個電子自旋。

“量子信息科學(xué)和量子工程是一場隔離和控制之間的持續(xù)戰(zhàn)斗。”賓夕法尼亞大學(xué)電子和系統(tǒng)工程助理教授Lee Bassett說。“我們需要將東西隔離開來，這樣它們就不會隨意與其環(huán)境中的一切對話。”但我們需要它們與它們的環(huán)境對話，因為我們需要控制它們。

Bassett說，一些量子技術(shù)已經(jīng)圍繞著一種類似的3D材料出現(xiàn)，這種材料就是金剛石，它的碳晶格中散布著氮缺陷。自上世紀(jì)90年代末以來，人們就一直在研究具有氮空位（NV）的鉆石。研究人員后來發(fā)現(xiàn)，這些NV金剛石缺陷可以庇護(hù)壽命較長的單個電子自旋。Bassett說，目前有幾家公司正在利用金剛石中的NV中心發(fā)展量子技術(shù)。

然而，金剛石中的NV是一種3D材料。所以控制單個電子自旋的狀態(tài)，更不用說數(shù)十或數(shù)百個糾纏在一起的電子自旋的狀態(tài)，是非常具有挑戰(zhàn)性的。

相反，由于h-BN是一種二維材料，每個包含可操縱的電子自旋的容器都可以相對容易地由上方或下方的激光定位。但是，使用金剛石的挑戰(zhàn)可能仍然值得付出努力去解決。Bassett說：“金剛石中氮空位的關(guān)鍵特性是它們在極端條件下具有令人難以置信的穩(wěn)健性。”

結(jié)果是，即使h-BN作為許多量子技術(shù)的基體而被大量應(yīng)用，金剛石中的NV對于需要抵抗熱環(huán)境或電磁噪聲環(huán)境的應(yīng)用仍然很重要。

但利用六方氮化硼向前走的道路似乎要簡單得多。另一個原因是“二維材料的優(yōu)勢是以不同方式設(shè)計它的靈活性”，Bassett說。它最吸引人的物理特性之一是，它還可以被插入到其他材料之上來設(shè)計混合量子技術(shù)。

“這是二維材料方面正在發(fā)生的事情。”Bassett說。“人們學(xué)習(xí)如何造就這些東西，學(xué)習(xí)如何堆疊它們；人們正在探索不同的組合。”

在可以通過將h-BN與其他2D系統(tǒng)堆疊在一起制作出來的眾多可能的夾層結(jié)構(gòu)（sandwich）中，存在著將在量子信息科學(xué)中有用武之地的夾層結(jié)構(gòu)——從諸如可以被非常精確和快速地控制的量子處理器、能長時間存儲量子信息的量子存儲器等的東西到必須與光子發(fā)生強烈的相互作用的量子通信鏈路。

所以，Bassett說，要留意六方氮化硼。用于量子技術(shù)的新型硅或鍺是否可利用它，他的團(tuán)隊和世界各地的其他人將在未來的實驗中證明。