碳化硅晶格缺陷可变成量子比特

据美国物理学家组织网11月3日（北京时间）报道，最近，美国加利福尼亚大学圣芭芭拉分校物理学家发现，碳化硅中包含的晶格缺陷可以在量子力学水平被操控作为一种室温下的量子比特来使用，这一发现使碳化硅有望成为下一代信息技术的核心，广泛应用于电子工业，探索超快计算、纳米传感等量子物理领域。相关论文发表在本周出版的《自然》杂志上。

在传统半导体电子设备中，晶格缺陷是一种瑕疵，它们会把电子“陷落”固定在特殊晶格位上。但研究小组却发现，在碳化硅中，被晶格缺陷“陷落”的电子能以某种方式初始化它们的量子态，通过一种光与微波辐射结合的方式，能对其进行精确操控和测量。这意味着，每个晶格缺陷都符合量子比特的要求，作为一种量子力学模拟晶体管来使用。

“我们期待把这些不完美的瑕疵变得完美而实用，而不是让晶体变得完美有序，把这些瑕疵作为未来量子技术的基础。”论文作者、该校自旋电子及量子计算中心主管、物理学教授大卫·奥斯卡洛姆介绍说，大部分材料的晶格缺陷都没这种属性，这和材料的原子结构及半导体的电子特征密切相关。目前已知的唯一拥有相同特征的系统是钻石中的氮晶格空位中心（nitrogen-vacancy center），由氮原子取代了碳原子及邻近晶格空位导致，也能在室温下用作量子比特，而其他物质的量子态要求接近绝对零度。但氮晶格空位中心的钻石很难生长，给制造集成电路带来很大困难。

相比之下，商业中用的高质量碳化硅晶体直径能达到几英寸，很容易用在各种各样的电子设备、光电设备和电动机械设备中。研究人员指出，碳化硅晶格缺陷适用于红外光，其能量和目前整个现代电讯网络所用的光很接近。未来的集成量子设备有着精密的电子和光学线路，这些独特的性质让碳化硅成为最有吸引力的候选材料。

“我们的梦想是能自由设计量子机械设备。就像城市工程师能按照载荷能力、跨度设计桥梁一样，希望有一天量子工程师能按照量子纠缠度、与环境相互作用度等规格指标来设计量子电器设备。”论文领导作者、奥斯卡罗姆实验室研究生威廉姆·凯尔说。

相较于自己“非此即彼”的亲戚比特，量子比特就像那只半死半活的“薛定谔猫”，多了一种“既此又彼”的叠加态。而这点不同也标志了量子计算机和传统计算机在运算方式及运算能力上的截然区别。不过，量子技术要想得到真正广泛的应用，还必须改变它对环境等客观因素的严苛要求，从“接近绝对零度”到“室温”的变化，无疑就是其中一个重要的进步。这一来自晶格缺陷的进步也再次告诉我们，换个角度看人待事，往往会有意想不到的收获。