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在硅中发现一种稳健的新型电信量子比特
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在硅中发现一种稳健的新型电信量子比特 在硅中发现一种稳健的新型电信量子比特 量子技术有望通过利用物质在原子尺度上的异常行为，彻底改变计算、通信和传感领域。要将量子技术的潜力转化为实用器件，需要既具有理想量子特性又易于制造的物理体系。作为当今计算机芯片核心材料的硅是一种极具吸引力的平台，因为它能够利用已经建立起来的万亿美元级半导体产业优势。因此，在硅中寻找量子构建单元——量子比特（qubits）——成为一个重要的前沿研究方向。 在一项新的研究中，来自加州大学圣塔芭芭拉分校材料学教授 Chris Van de Walle 计算材料研究组的研究人员在硅中发现了一种稳健的新型量子比特，称为 CN 中心（CN center）。相关成果发表在《Physical Review B》期刊上。 量子比特可以基于晶体中的原子尺度缺陷构建。一个典型的例子是 NV 中心（NV center），它由金刚石晶体中一个氮（N）原子与相邻的一个空位（V，即缺失的碳原子）组成。这些缺陷既能与电子相互作用，也能与光相互作用，使其能够发射单光子（光量子），从而用于传输量子信息或在量子网络中进行处理。 近期研究集中在一种硅中的缺陷——T 中心（T center），该缺陷能够在较长时间内存储量子信息，其性能可与 NV 中心相媲美。此外，它还能在电信波段发光——即能够在光纤中低损耗传输的波长范围。T 中心由碳和氢原子组成，而氢的存在使其结构较为脆弱并对制备条件十分敏感。氢原子在晶体中容易迁移，并且在加工过程中难以控制，这使得实现可重复且可靠的器件制造更加困难。 在这项新研究中，研究人员提出了一种有前景的替代方案：CN 中心，其由碳和氮原子组成。该项目负责人、Van de Walle 研究组的博士后 Kevin Nangoi 表示：“与 T 中心不同，这种缺陷不含氢，因此更加稳健，也更容易在实际器件中实现。” 研究团队利用先进的第一性原理计算机模拟，在原子尺度上对该缺陷进行了建模。由于这种模拟能够预测尚未在实验中实现的新体系的材料性质，因此可以为未来新型器件的设计和制造提供指导。 参与该项目的研究人员、Van de Walle 研究组校友、现任美国海军研究实验室博士后的 Mark Turiansky 表示：“我们的结果表明，CN 中心再现了使 T 中心适用于量子应用的关键电子和光学特性；尤其是，该缺陷在结构上稳定，并能够在电信波段发光。” 在硅中发现一种不含氢、可在电信波长范围发射量子光的缺陷，是连接量子科学与可规模化技术之间鸿沟的重要一步。 展望未来，Van de Walle 指出：“如果能够得到实验验证，CN 中心有望成为量子器件的一种实用新型构建单元，从而在继续使用驱动当今电子技术发展的硅材料的同时，加速先进量子技术的发展。” Publication details J. K. Nangoi et al, Carbon-nitrogen complex as an alternative to the T center in Si, Physical Review B (2026). DOI: 10.1103/zy5b-fskh. On arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2511.00754 |
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