根据美国东北大学研究人员的新发现，某些固体晶体中的原子缺陷可能是释放量子革命潜力的关键。这些缺陷本质上是原子排列成晶体结构时出现不规则导致的现象。东北大学物理系杰出教授Arun Bansil说，这些不规则性可以提供物理条件来承载一种被称之为量子比特的东西，而量子比特是许多量子技术的基础。

量子比特与经典计算机中的比特有着根本的不同，后者是经典计算机中最基本的信息单元。但是由于两者都是由非常小的材料制成的，所以它们会受到神秘莫测的亚原子粒子世界中作用力的影响。

Bansil和其同事发现，某类材料中的缺陷——特别是二维过渡金属二硫化物——包含有有利于制造量子比特的原子特性。他们的研究成果发表在近期的《自然》杂志上，这在量子传感方面是一项新的突破，并且可能有助于加快量子技术变革的步伐。

Bansil说：“如果我们能够学习如何在这个二维矩阵中创建量子比特，那将是一件大事”。过渡金属二硫化物具有多种量子特性，这使得它们对于科学研究来说特别有吸引力。该领域的研究人员表示，这种独特的材料在电子、光电、传感和储能等应用领域中具有巨大的潜力。

该研究团队利用先进的计算技术，筛选了数百种不同的材料组合，以找到能够承载量子比特的材料。Bansil说：“当我们查看大量的这种材料后，最终我们只发现了少数可行的缺陷——大约是十几个。缺陷的材料和类型在这里都很重要，因为原则上任何材料都可能产生不同类型的缺陷。”

该研究的关键发现是二维过渡金属二硫化物薄膜中所谓的“反位缺陷”带有一种被称为“自旋”的东西。自旋即是由粒子内禀角动量引起的内禀运动，它描述了电子的一种基本特性——具有向上或向下的态势。

我们知道，经典计算机是使用比特来执行计算。当你在电脑上做任何事情时，你其实是在向它发送一组指令，这些指令与中央处理单元(CPU)相关联。而CPU是一块超大规模的集成电路，它利用电信号来引导整个计算机执行存储在系统内存中的程序指令。

信号利用编码(打包成比特的信息)来进行通信。这些信息是以0或1的数字来表示，它们将各种电路的状态描述为关闭或打开。Bansil说，所有现代电子设备都利用电路元件进行操作，这些电路元件本质上是通过操纵这些0和1来发送和接收信息。

由于尚未充分理解的量子力学特性，量子比特的行为与经典比特完全不同。量子比特的不同之处在于它的值是可以叠加的，这意味着它们可以同时为0和1。叠加是量子力学的核心原理之一，它指出量子系统可以在给定时间内以多种状态同时存在，直到被测量后才成为经典世界中唯一的结果。

而量子信息系统可以利用量子比特在测量(或观察)时处于一种或另一种状态的概率来进行计算。Bansil说：“量子比特的独特之处在于它基本上可以同时编码两种不同的状态。原则上，你可以同时在极少数的量子比特中存储大量的可能性。”

研究人员目前面临的挑战是如何找到足够稳定以供使用的量子比特，因为很难找到可以实现制作量子比特的精确原子条件。Bansil说：“当前可用的量子比特——尤其是那些用于量子计算的量子比特——都在非常低的温度下运行，这使得它们非常脆弱。”他补充说，这就是为什么二维过渡金属二硫化物缺陷的发现具有如此大的前景。（编译:Qtech）