预见2023：新材料将助研下一代量子计算机

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通过量子科学技术的支持，研究人员可以更好地了解自然世界，并利用量子优越性造福社会。它们将改变医疗保健、交通和通信，并增强抵御网络威胁和气候灾难的能力。例如，量子磁场传感器将实现功能性脑成像；量子光通信将实现加密通信；量子计算机将促进下一代光伏和药物材料的发现。

目前，这些技术依赖于昂贵且复杂的材料，并且通常需要昂贵且笨重的超低温冷却设备才能运行。这些设备依赖于液氦等贵重商品，如今，随着全球供应的减少，液氦变得越来越昂贵。2023年，量子材料将会革新，这也将改变量子技术的发展。除了降低环境要求外，这些材料还将可以在室温操作、节能、成本降低，加工要求也更简单。为了优化其量子特性，研究实验室可以操纵化学结构和分子堆积。物理学家和工程师们一直在努力，到2023年，这些材料将从科学实验室转移到现实世界。

最近，英国工程和物理科学研究委员会宣布了一项量子技术材料创新计划，该计划由伦敦帝国理工学院和曼彻斯特大学领导。伦敦纳米技术中心由帝国理工学院、国王学院和伦敦大学学院的数百名研究人员合作，在量子系统的模拟和表征方面拥有丰富的专业知识。国家物理实验室是英国的测量之家，它刚刚开设了量子计量研究所，它耗资数百万英镑，致力于量子技术的表征、验证和商业化。研究人员将和行业共同努力，力争开创制药、密码学和网络安全新时代。

量子比特是构建量子计算机的基础，依赖于具有量子特性的材料，如电子自旋等特性。一旦我们能够利用这些特性，就可以使用光和磁场来控制它们，从而产生量子现象，例如纠缠和叠加。超导量子比特是目前最先进的量子比特技术，包括约瑟夫森结，在-273ºC的超低温下作为超导体运行。苛刻的温度和高频工作要求意味着，即使是这些超导量子比特的最基本的电介质，也很难设计。目前，量子比特包括氮化硅和氧化硅等材料，由于它们有很多缺陷，以至于量子比特必须具有毫米大小才能存储电场能量，相邻量子比特之间的串扰会引入相当大的噪声。使用这些材料，很难获得实用量子计算机所需的数百万个量子比特。

2023年，量子技术材料设计将出现更多创新。迄今为止，有很多被看好的候选材料，例如，具有氮空位缺陷的钻石，van der Waals/2D材料和高温超导体。在这些候选材料中，分子材料的使用尤其令人兴奋。这些材料是围绕碳基有机半导体设计的，碳基有机半导体是用于可扩展制造电子产品的一类既定材料，它彻底改变了价值数十亿美元的OLED显示器行业。可以使用化学来控制它们的光学和电子特性，它们的基础设施依赖于既定的专业知识。

例如，手性分子材料，它作为一对不可叠加的镜像存在的分子，将彻底改变量子技术。这些用途广泛的分子薄层可用于在室温下控制电子的自旋。同时，金属酞菁的自旋相干时间长，具有良好的热稳定性和化学稳定性，它们将用来携带量子信息。

可以预见，2023年必定会出现更多关于量子计算机运行速度的头条新闻，与此同时，材料科学家将研究、发现和设计下一代低成本、高效率和可持续的量子技术。

编译：卉可

​编辑：慕一