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将晶体缺陷变为量子高速公路：迈向可扩展固态量子比特的新路径
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**将晶体缺陷变为量子高速公路：迈向可扩展固态量子比特的新路径** 构建大规模量子技术需要一种可靠的方法，在不破坏脆弱量子态的前提下连接单个量子比特（qubit）。在一项发表于 *npj Computational Materials* 的最新理论研究中，研究人员表明，长期以来被视为缺陷的晶体位错——一种线状缺陷——实际上可以作为量子互连的强大构建单元。 通过先进的第一性原理模拟，由俄亥俄州立大学 Maryam Ghazisaeidi 教授以及芝加哥大学普利兹克分子工程学院（UChicago PME）和化学系的 Giulia Galli 教授领导的研究团队证明，金刚石中的氮-空位（NV）中心——一种领先的固态量子比特平台——能够被位错吸引，并且在靠近这些线缺陷时保持其量子性质，在某些情况下甚至得到增强。 “由于位错在晶体中形成贯穿其中的准一维（1D）结构，它们为将量子比特排列成有序阵列提供了一种天然的支架，”共同第一作者、Galli 研究组的芝加哥大学 PME 工作人员科学家张存智表示。 这项研究汇集了芝加哥大学和俄亥俄州立大学在材料科学、机械工程、量子信息科学以及高性能计算等方面的专长。 论文中的模拟工作利用了中西部综合计算材料中心（MICCoM）开发的 GPU 加速、大规模并行计算代码。MICCoM 是一个由 Galli 教授领导的计算材料科学中心。 “这些前所未有的大规模第一性原理计算，使得我们能够精确模拟一维位错核心处缺陷的复杂量子性质，”共同第一作者、阿贡国家实验室的工作人员科学家、MICCoM 首席研究员 Victor Yu 说道。 研究发现，许多位于位错核心附近的 NV 中心能够在期望的电荷态和自旋态下保持稳定，并保留可行的光学循环，从而实现对其自旋态的光学初始化和读出。 “更重要的是，我们预测，靠近位错的特定 NV 构型相比于完美金刚石中的 NV 中心，其量子相干时间显著增强，”Ghazisaeidi 表示。 这种提升源于位错附近的对称性破缺，它产生了一类被称为“时钟跃迁”的特殊态，可有效保护量子比特免受环境磁噪声的影响。 除了确立稳定性和相干性之外，该研究还对光学和磁共振特征给出了详细预测，可用于指导实验上识别有价值的 NV–位错构型。 “尽管并非所有缺陷排列都适合量子操作，但结果表明，其中相当一部分满足量子比特功能的要求，”合作者余金（Yu Jin）表示。他在研究期间是芝加哥大学的研究生，目前是纽约 Flatiron Institute 的博士后研究员。 总体而言，这项研究提出了一种全新的量子器件设计范式：不再将位错视为需要消除的缺陷，而是将其视为能够承载并促进量子比特链相互作用的“量子高速公路”。该方法为在金刚石以及潜在的其他材料中实现可扩展的量子互连开辟了新路径，为未来的固态量子技术提供了一种极具前景的策略。 Publication details Cunzhi Zhang et al, Towards dislocation-driven quantum interconnects, npj Computational Materials (2026). DOI: 10.1038/s41524-025-01945-3 Journal information: npj Computational Materials |
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