藝術家從金剛石中量子自旋缺陷的相互作用集合對流體動力學行為的說明。資料來源:諾曼·姚/伯克利實驗室
1998年，包括加州大學伯克利分校的Mark Kubinec在內的研究人員首次使用單個分子進行了簡單的量子計算。他們使用無線電波脈衝來翻轉分子中兩個原子核的自旋，每個自旋的“上”或“下”方向儲存資訊，就像“0”或“1”狀態在經典資料位中儲存資訊一樣。在早期的量子計算機中，兩個核的組合方向——也就是說，分子的量子態只能在特定的調諧環境中短暫地保持。換句話說，這個系統很快就失去了連貫性。對量子相干性的控制是建造可擴充套件量子計算機所缺失的一步。
現在，研究人員正在開發新的途徑來建立和保護量子相干性。這樣做將使精密敏感的測量和資訊處理裝置能夠在環境甚至極端條件下工作。喬爾·摩爾在2018年,一位高階教師勞倫斯伯克利國家實驗室的科學家(伯克利實驗室)和加州大學伯克利分校教授從美國能源部獲得資金來建立和領導一個能源前沿研究中心(EFRC)——被稱為小說中心通道量子相干材料(NPQC)——這些努力。Moore說:“efrc是能源部的一個重要工具，它使機構間的重點合作能夠在超出個體研究者範圍的前沿科學問題上取得快速進展。”
透過NPQC，來自伯克利實驗室、加州大學伯克利分校、加州大學聖巴巴拉分校、阿貢國家實驗室和哥倫比亞大學的科學家們正在引領理解和操縱各種固態系統的相干性的道路。他們的三方面研究重點是開發新的量子感測平臺;設計承載複雜量子態的二維材料;並探索透過量子過程精確控制材料的電子和磁性的方法。這些問題的解決方案在於材料科學界。發展在現實環境中操縱相干性的能力，需要深入瞭解能夠提供替代量子位(或“量子位”)、感測或光學技術的材料。
基礎發現是進一步發展的基礎，這些發展將有助於能源部在科學辦公室的其他投資。隨著該專案進入第四個年頭，一些突破正在為量子資訊科學的創新奠定科學基礎。
在鑽石形成過程中，用一個氮原子(黃色，N)替換一個碳原子(綠色)，並省略另一個原子留下一個空位(紫色，V)，就會產生一個常見的具有明確自旋特性的缺陷。來源:國家標準
缺點越多，機會就越多
到目前為止，NPQC的許多成就都集中在量子平臺上，這些平臺是基於一種被稱為自旋缺陷的材料結構中的特定缺陷。在正確的晶體背景中，自旋缺陷可以接近完美的量子相干，同時大大提高了穩健性和功能性。
這些缺陷可以用來製造高精度的感測平臺。每個自旋缺陷對環境中極其微小的波動都有響應;而缺陷相干採集可以達到前所未有的精度和精度。但是，要理解在一個有許多自旋的系統中，所有自旋相互作用，相干性是如何進化的，是一件令人生畏的事情。為了應對這一挑戰，NPQC的研究人員正在轉向一種被證明是量子感測理想材料的普通材料:鑽石。
在自然界中，鑽石晶體結構中的每個碳原子都與其他四個碳原子相連。當一個碳原子被一個不同的原子取代或完全省略時，這通常發生在鑽石的晶體結構形成時，由此產生的缺陷有時會表現得像一個具有明確定義的自旋的原子系統——電子或其他亞原子粒子所攜帶的角動量的內在形式。就像這些粒子一樣，金剛石中的某些缺陷可以有一個方向或偏振，要麼是“自旋上”，要麼是“自旋下”。
透過將多個不同的自旋缺陷植入到鑽石晶格中，伯克利實驗室的教員科學家、加州大學伯克利分校的物理學助理教授Norman Yao和他的同事們建立了一個三維繫統，自旋分散在整個體積中。在這個系統中，研究人員開發了一種在微小長度尺度上探測自旋極化“運動”的方法。
圖示:在一個鑽石立方體中，有一箇中心的過量旋轉口袋(綠松石陰影)，然後像液體中的染料一樣擴散開來。來源:伯克利實驗室
透過結合測量技術，研究人員發現，自旋在量子力學系統中的運動方式幾乎與染料在液體中的運動方式相同。正如最近發表在《自然》(Nature)雜誌上的文章所言，從染料中學習是理解量子相干的一條成功之路。不僅自旋的湧現行為為理解量子動力學提供了一個強大的經典框架，而且多缺陷系統也為探索相干性如何工作提供了一個實驗平臺。摩爾是NPQC的主任，也是該團隊的一員，他之前曾研究過其他型別的量子動力學，他將NPQC平臺描述為“無序、自旋之間的長範圍偶極相互作用和量子相干之間相互作用的一個獨特的可控例子。”
這些自旋缺陷的相干時間很大程度上取決於它們周圍的環境。許多NPQC的突破都集中在創造和繪製金剛石和其他材料中圍繞單個缺陷的結構的應變敏感性。這樣做可以揭示在3D和2D材料中如何最好地設計具有最長相干時間的缺陷。但是，對材料本身施加的力的變化究竟如何與缺陷相干性的變化相關聯呢?
為了找到答案，NPQC的研究人員正在開發一種技術，可以在主晶體中建立變形區域並測量應變。“如果你把晶格中的原子比作彈簧，你會得到不同的結果，這取決於你如何推動它們，”馬丁·霍爾特(Martin Holt)說，他是阿貢國家實驗室電子和x射線顯微鏡小組的組長，也是NPQC的首席研究員。利用先進的光子源和奈米尺度材料中心(這兩個中心都是阿貢國家實驗室的使用者設施)，他和他的同事提供了主晶體中變形區域的直接影象。到目前為止，缺陷在樣本中的方向大多是隨機的。這些影象揭示了哪些方向是最敏感的，為高壓量子感測提供了一個有前景的途徑。
“你可以把鑽石這樣的東西變成實用的東西，這真的很美。有一些足夠簡單的東西來理解基本物理，但也可以進行足夠的操作來做複雜的物理，這是很棒的，”霍爾特說。
這項研究的另一個目標是利用電子將一個量子態(如金剛石中的缺陷態)以相干方式從一點轉移到另一點的能力。NPQC在伯克利實驗室和阿貢實驗室的科學家們研究了出現在某些材料原子薄層中的特殊量子線。由伯克利實驗室資深科學家、加州大學伯克利分校教授王峰(Feng Wang)領導的團隊意外地在一個這樣的系統——三層碳薄片中發現了超導性。王峰是NPQC在原子薄材料方面的負責人。對於2019年發表在《自然》雜誌上的這項工作，王說:“同樣的材料可以提供受保護的一維傳導和超導，這一事實為保護和傳輸量子相干開闢了一些新的可能性。”
伯克利實驗室和加州大學伯克利分校的科學家們意外地發現了三層碳片的超導性。作者:王峰，陳國瑞/伯克利實驗室
對有用的裝置
多缺陷系統不僅是重要的基礎科學知識。它們也有潛力成為革命性的技術。在新型二維材料中，NPQC的研究人員研究瞭如何利用自旋缺陷來控制材料的電子和磁性，這為超快電子和超穩定感測器鋪平了道路。最近的發現帶來了一些驚喜。
“對奈米磁性材料及其在自旋電子學中的應用的基本瞭解，已經導致了磁性儲存和感測器裝置的巨大變革。利用磁性材料中的量子相干性可能是向低功率電子產品的下一個飛躍，”伯克利實驗室材料科學部的高階科學家和部門副主任Peter Fischer說。
材料的磁性完全取決於相鄰原子的自旋排列。與典型冰箱磁鐵或經典資料儲存中使用的整齊排列的自旋不同，反鐵磁體具有指向相反方向的相鄰自旋，並有效地相互抵消。因此，反鐵磁體不“起”磁作用，而且對外界干擾非常強大。研究人員長期以來一直在尋找在基於自旋的電子中使用它們的方法，在這種電子中，資訊是透過自旋而不是電荷傳輸的。做到這一點的關鍵是找到一種方法來操縱自旋方向並保持一致性。
2019年NPQC領導的研究人員詹姆斯•Analytis教員伯克利國家實驗室的科學家和加州大學伯克利分校的物理學副教授,與博士後伊蘭Maniv,觀察到應用小,單脈衝電流的小片的反鐵磁性物質導致旋轉旋轉和“開關”他們的方向。因此，這種材料的特性可以非常迅速和精確地調整。Maniv說:“理解這背後的物理現象需要更多的實驗觀察和一些理論模型。”新材料可能有助於揭示它是如何工作的。這是一個新的研究領域的開始。”
現在，研究人員正在努力查明在伯克利實驗室的使用者設施分子鑄造(Molecular Foundry)製造和表徵的材料中驅動轉換的確切機制。發表在《科學進展》和《自然物理學》雜誌上的最新發現表明，對分層材料的缺陷進行微調可以提供一種可靠的方法，在新的裝置平臺上控制自旋模式。NPQC負責人摩爾說:“這是一個顯著的例子，說明了有許多缺陷是如何讓我們穩定一個可切換的磁性結構的。”
一種奇異的磁性裝置可以進一步縮小計算裝置和個人電子裝置而不損失效能。上面顯示的比例尺是10微米。資料來源:詹姆斯分析/伯克利實驗室
旋轉的新執行緒
在明年的運作中，NPQC將在今年進展的基礎上更進一步。目標包括探索二維材料中的多種缺陷如何相互作用，以及研究可能出現的新型一維結構。這些低維結構可以作為感測器來檢測其他材料的最小尺度特性。此外，專注於電流如何操縱自旋衍生的磁性，將直接將基礎科學與應用技術聯絡起來。
這些任務的快速進展需要結合只能在大型協作框架中建立的技術和專業知識。霍爾特說:“你不能孤立地開發能力。“NPQC提供了動態的研究環境，推動科學和利用每個實驗室或設施正在做的事情。”與此同時，該研究中心提供了獨特的科學前沿教育，包括髮展將引領未來量子產業的科學勞動力的機會。
NPQC為量子材料的基礎物理研究帶來了一系列新的問題和目標。摩爾說:“量子力學控制著固體中電子的行為，而這種行為是我們認為理所當然的許多現代技術的基礎。但我們現在正處於第二次量子革命的開端，像相干性這樣的特性佔據了中心地位，瞭解如何增強這些特性，為我們提供了一系列關於材料的新問題來回答。”
