一項(xiàng)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(jì)算機(jī)和極其敏感的測(cè)量設(shè)備提供一種新方法。

從某種意義上說，這項(xiàng)研究只是向前邁出了一小步，因?yàn)檫@些量子效應(yīng)已經(jīng)在其他材料和實(shí)驗(yàn)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(gè)重要的出發(fā)點(diǎn)，因?yàn)檎业皆诹畠r(jià)、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(huì)解決當(dāng)今量子技術(shù)的悖論。

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

“量子信息科學(xué)和量子工程是一場(chǎng)隔離和控制之間的持續(xù)戰(zhàn)斗?！辟e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(huì)隨意與其環(huán)境中的一切對(duì)話。”但我們需要它們與它們的環(huán)境對(duì)話，因?yàn)槲覀冃枰刂扑鼈儭?/p>

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(zhǎng)的單個(gè)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(gè)電子自旋的狀態(tài)，更不用說數(shù)十或數(shù)百個(gè)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(gè)包含可操縱的電子自旋的容器都可以相對(duì)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?cè)跇O端條件下具有令人難以置信的穩(wěn)健性?！?/p>

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(duì)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(jiǎn)單得多。另一個(gè)原因是“二維材料的優(yōu)勢(shì)是以不同方式設(shè)計(jì)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(jì)混合量子技術(shù)。

“這是二維材料方面正在發(fā)生的事情?！盉assett說?！叭藗儗W(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?！?/p>

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(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)量子信息的量子存儲(chǔ)器等的東西到必須與光子發(fā)生強(qiáng)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(duì)和世界各地的其他人將在未來的實(shí)驗(yàn)中證明。