芝加哥大学分子工程研究所领导的一个国际团队发现了如何沿着电信中使用的波长操纵碳化硅中光和物质之间奇怪的量子界面。

这项工作提出了将量子力学原理应用于现有光纤网络以实现安全通信和地理分布量子计算的可能性。6月23日，David Awschalom教授和他的13位合著者在《物理评论X》杂志上公布了他们的发现。

“碳化硅目前被用于制造各种经典的电子器件，”乌切卡戈大学分子工程Liew家族教授、阿尔贡国家实验室高级科学家Awschalom说。“所有的处理协议都用来制造这种材料的小量子器件。这些结果为量子物理进入技术世界提供了一条途径。”

这些发现部分基于Awschalom的合著者在布达佩斯匈牙利科学院制作的材料理论模型。瑞典林雪平大学的另一个研究小组开发了大部分碳化硅材料，Awschalom的团队在UChicago的实验中测试了这些材料。来自日本国家量子和辐射科学技术研究所的另一个团队帮助UChicago研究人员通过用电子束照射材料来制造材料中的量子缺陷。

与经典物理的日常世界相比，量子力学以一种奇异且违反直觉的方式控制着原子和亚原子层面的物质行为。这一新发现依赖于碳化硅中原子缺陷中的量子界面，产生脆弱的纠缠，这是量子力学预言的最奇怪的现象之一。

纠缠意味着两个粒子可以连接得如此紧密，以至于一个粒子的状态可以立即影响另一个粒子的状态，无论它们相距多远。

Awschalom说：“量子力学的这种非直观性质可能被用来确保双方之间的通信不会被拦截或改变。

使用量子力学。

Awschalom指出，这些发现增强了在已经具有技术应用的材料中创造和控制量子态的意想不到的机会。追求这些进步的科技潜力将成为新宣布的芝加哥量子交易所的重点，Awschalom将为其提供指导。

这篇新论文的一个特别有趣的方面是，碳化硅半导体缺陷对光和自旋之间的运动信息(电子的磁性)具有天然的亲和力。“一个关键的未知一直是我们是否能找到一种方法将它们的量子态转化为光，”芝加哥大学博士后学者、这项工作的第一作者大卫克里斯托(David Crystal)说。“我们知道应该有一个轻物质的界面，但我们可能会不幸地发现，它并不适合在自然界中纠缠。我们非常幸运，光学跃迁和将旋转转化为光的过程质量非常高。”

缺陷是一个缺失的原子，它导致材料中附近的原子重新排列它们的电子。缺失的原子或缺陷本身会产生一种电子状态，这种状态由可调红外激光器控制。

“质量基本上意味着：在你破坏旋转的量子态之前，你能得到多少光子？”位于纽约州约克镇高地的IBM托马斯J沃森研究中心的研究员艾布拉姆福尔克说。有作品但不在纸上的合作作者。

UChicago研究人员发现，在它们打破自旋状态之前，它们可能会产生多达10，000个光子或光束。“这将是一个世界纪录，你可以用这些类型的缺陷状态之一做什么，”福尔克补充说。

Awschalom的团队能够将商用晶圆碳化硅中单电子自旋的信息量子态转换为光，并以约95%的效率读出。

毫秒一致性

Awschalom团队实现的自旋状态(称为相干性)的持续时间是一毫秒。时钟标准不多，但量子态领域有相当多的时钟标准，可以在纳秒或十亿分之一秒内完成多次计算。

这一壮举为碳化硅开辟了新的可能性，因为其纳米尺度的缺陷是寻求新技术的领先平台，这些新技术将量子力学特性应用于量子信息处理，利用纳米尺度的分辨率来感知磁场、电场和温度，并利用光进行安全通信。

“大约10亿美元的电力电子产业是建立在碳化硅上的，”Falk说。他说：“通过这项工作，我们有机会构建一个量子通信平台，并利用半导体行业中这些非常先进的经典器件。

大多数研究量子应用中缺陷的研究人员都关注钻石中的原子缺陷，这已经成为这些技术的一个流行的可见光测试平台。

“钻石一直是量子控制的巨大产业，”Falk指出。全国几十个研究小组花了10多年的时间完善材料，以达到Awschalom集团经过几年的研究已经掌握的碳化硅标准。

碳化硅的多功能性。

Awschalom说：“碳化硅有许多不同的形式，其中一些现在常用于电子和光电领域。“量子态存在于我们探索过的所有形式的碳化硅中。这表明量子力学效应将被引入电子和光学技术。”

Falk指出，研究人员现在开始怀疑这种物理学是否也适用于其他材料。

“此外，我们能否理性地设计出一个具有我们想要的特征的缺陷，而不仅仅是偶然发现它们？”他问。

缺陷是关键。

Awschalom解释说：“几十年来，电子行业提出了各种技术来消除设备中的所有缺陷，因为缺陷通常会导致传统电子设备出现问题。"具有讽刺意味的是，我们正在将缺陷重新引入量子系统."

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