惊人的突破：科学家们在日常电子产品中创造出量子态

诸平

据芝加哥大学（University of Chicago）2019年12月9日（当地时间）提供的消息，该大学的研究人员与美国其他机构的研究人员以及来自瑞典、日本、匈牙利的科研人员合作，在日常电子产品中创造出量子态，这的确是一个惊人的突破。芝加哥大学普利兹克分子工程学院（Pritzker School of Molecular Engineering）的研究生苗凯文（Kevin Miao）、克里斯·安德森（Chris Anderson）和负责量子此实验的亚历山大·布拉萨（Alexandre Bourassa）是此项成果的重要研究人员（详见图1所示）。

(From left) graduate students Kevin Miao, Chris Anderson, and Alexandre Bourassa monitor quantum experiments at the Pritzker School of Molecular Engineering. Credit: David Awschalom

电子产品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，美国芝加哥大学普利兹克分子工程学院的科学家和其他国家的科学家们却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。

首席研究员David Awschalom说:“在商业电子产品中创造和控制高性能量子比特的能力是一个惊喜。”David Awschalom是芝加哥大学分子工程学的刘氏家族教授(Liew Family Professor in Molecular Engineering at Uchicago)，也是量子技术的先驱。David Awschalom教授是美国科学院、美国工程院、美国艺术与科学院“三院”院士，世界知名的自旋电子学和量子信息工程领域的科学家。他在自旋电子学领域的研究包括应用于高级计算、医疗成像、加密和其他技术领域的电子自旋及其控制。他的研究团队于2004年首次对半导体中的自旋霍尔效应进行了实验室研究。David Awschalmom教授已在相关领域撰写250多篇论文，其中50多篇发表在世界顶级刊物《自然》（Nature）和《科学》（Science）等杂志上。

David Awschalom说:“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利用今天的电子技术来建造量子设备的方法。”

David Awschalom带领的研究团队包括了来自美国、匈牙利、瑞典、日本的研究人员，在发表于《科学》（Science）与《科学进展》(Science Advances)杂志上的两篇论文中，David 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产品的方法，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、悬浮原子或金刚石。

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。美国阿贡国家实验室（Argonne National Laboratory）的高级科学家、芝加哥量子交换所（Chicago Quantum Exchange）主任David 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David Awschalom所称的“量子调频收音机”(quantum FM radio); 用同样的方法，可以将音乐传输到车载收音机里，可以将量子信息发送到非常远的距离。该论文的第一作者、研究生苗凯文（Kevin Miao音译）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，无波动场。”“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。”

在发表于《科学》（Science）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。

该论文的共同第一作者、研究生克里斯·安德森(Chris Anderson)说:“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，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件之一——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。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:“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。”“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，David D. Awschalom和他的团队正在为即将到来的量子技术革命铺平道路。David D. 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。”更多信息请注意浏览原文或者相关报道。

New method for detecting quantum states of electrons

Christopher P. Anderson, Alexandre Bourassa, Kevin C. Miao, Gary Wolfowicz, Peter J. Mintun, Alexander L. Crook, Hiroshi Abe, Jawad Ul Hassan, Nguyen T. Son, Takeshi Ohshima, David D. Awschalom. Electrical and optical control of single spins integrated in scalable semiconductor devices. Science, 06 Dec 2019: Vol. 366, Issue 6470, pp. 1225-1230. DOI: 10.1126/science.aax9406

Kevin C. Miao, Alexandre Bourassa, Christopher P. Anderson, Samuel J. Whiteley, Alexander L. Crook, Sam L. Bayliss, Gary Wolfowicz, Gergo Thiering, Péter Udvarhelyi, Viktor Ivády, Hiroshi Abe, Takeshi Ohshima, Adám Gali, David D. Awschalom. Electrically driven optical interferometry with spins in silicon carbide. Science Advances, 22 Nov 2019: Vol. 5, no. 11, eaay0527. DOI: 10.1126/sciadv.aay0527.