新材料技術(shù)可以使量子計(jì)算機(jī)變得更快，更通用，而且更便宜

量子科學(xué)將幫助研究人員更好地了解自然世界，并利用量子現(xiàn)象造福社會(huì)。它們將改變醫(yī)療保健、交通和通信，并增強(qiáng)抵御網(wǎng)絡(luò)威脅和氣候?yàn)?zāi)難的能力。例如，量子磁場(chǎng)傳感器將實(shí)現(xiàn)功能性腦成像;量子光通信將允許加密通信;量子計(jì)算機(jī)將促進(jìn)下一代光伏和藥物材料的發(fā)現(xiàn)。

目前，這些技術(shù)依賴于昂貴且復(fù)雜的材料，并且通常需要昂貴且笨重的低溫冷卻才能運(yùn)行。這些設(shè)備依賴于液氦等貴重商品，隨著全球供應(yīng)的減少，液氦變得越來(lái)越昂貴。2023年將看到量子材料創(chuàng)新的革命，這將改變量子技術(shù)。除了降低環(huán)境要求外，這些材料還將允許室溫操作和節(jié)能，以及低成本和簡(jiǎn)單的加工要求。為了優(yōu)化其量子特性，研究實(shí)驗(yàn)室可以操縱化學(xué)結(jié)構(gòu)和分子堆積。好消息是，物理學(xué)家和工程師一直在忙碌，2023年將看到這些材料從科學(xué)實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)移到現(xiàn)實(shí)世界。

最近，英國(guó)工程和物理科學(xué)研究委員會(huì)宣布了一項(xiàng)由倫敦帝國(guó)理工學(xué)院和曼徹斯特大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的量子技術(shù)材料創(chuàng)新愿景。倫敦納米技術(shù)中心由帝國(guó)理工學(xué)院、國(guó)王學(xué)院和倫敦大學(xué)學(xué)院的數(shù)百名研究人員合作，在量子系統(tǒng)的模擬和表征方面擁有豐富的專業(yè)知識(shí)。英國(guó)的測(cè)量之家——國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室——?jiǎng)倓傞_設(shè)了量子計(jì)量研究所，這是一個(gè)耗資數(shù)百萬(wàn)英鎊的設(shè)施，致力于量子技術(shù)的表征、驗(yàn)證和商業(yè)化。研究人員和行業(yè)共同努力，將開創(chuàng)制藥、密碼學(xué)和網(wǎng)絡(luò)安全的新時(shí)代。

量子比特是量子計(jì)算機(jī)的構(gòu)建塊，依賴于具有量子特性的材料，如電子自旋，可以操縱。一旦我們能夠利用這些特性，我們就可以使用光和磁場(chǎng)來(lái)控制它們，從而產(chǎn)生量子現(xiàn)象，例如糾纏和疊加。超導(dǎo)量子比特是目前最先進(jìn)的量子比特技術(shù)，包括約瑟夫森結(jié)，在超低溫（-273oC）下作為超導(dǎo)體（可以在零電阻下導(dǎo)電的材料）運(yùn)行。苛刻的溫度和高頻工作要求意味著，即使是這些超導(dǎo)量子比特的最基本方面（電介質(zhì)）也很難設(shè)計(jì)。目前，量子比特包括氮化硅和氧化硅等材料，它們具有如此多的缺陷，以至于量子比特本身必須具有毫米大小才能存儲(chǔ)電場(chǎng)能量，相鄰量子比特之間的串?dāng)_會(huì)引入相當(dāng)大的噪聲。使用這些材料，獲得實(shí)用量子計(jì)算機(jī)所需的數(shù)百萬(wàn)個(gè)量子比特是不可能的。

2023年，量子技術(shù)材料設(shè)計(jì)將出現(xiàn)更多創(chuàng)新。在迄今為止考慮的許多令人敬畏的候選者中（例如，具有氮空位缺陷的鉆石，范德華/ 2D材料和高溫超導(dǎo)體），我對(duì)分子材料的使用感到最興奮。這些材料是圍繞碳基有機(jī)半導(dǎo)體設(shè)計(jì)的，碳基有機(jī)半導(dǎo)體是用于可擴(kuò)展制造消費(fèi)電子產(chǎn)品的一類既定材料（徹底改變了價(jià)值數(shù)十億美元的OLED顯示器行業(yè)）。我們可以使用化學(xué)來(lái)控制它們的光學(xué)和電子特性，圍繞它們發(fā)展的基礎(chǔ)設(shè)施依賴于既定的專業(yè)知識(shí)。

例如，手性分子材料 - 作為一對(duì)不可疊加的鏡像存在的分子 - 將徹底改變量子技術(shù)。這些用途廣泛的分子的薄而單手的層可用于在室溫下控制電子的自旋。同時(shí)，金屬酞菁的自旋相干時(shí)間長(zhǎng)以及良好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性將使它們被用來(lái)攜帶量子信息。

雖然 2023 年無(wú)疑將看到更多關(guān)于量子計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度的頭條新聞，但材料科學(xué)家將研究、發(fā)現(xiàn)和設(shè)計(jì)下一代低成本、高效率和可持續(xù)的量子技術(shù)。