2026年2月25日——量子技术有望通过操控原子尺度的物质奇异行为，彻底改变计算、通信和传感领域。要将量子潜力转化为实用设备，需要兼具理想量子特性且易于制造的物理系统。

作为现代计算机芯片的基础材料，硅因其与万亿美元半导体产业的成熟技术高度契合而成为极具吸引力的平台。因此，在硅材料中识别量子基础单元——量子比特（qubit）成为重要的前沿研究方向。

加州大学圣巴巴拉分校材料学教授Chris Van de Walle领导的“计算材料小组”在一项新研究中，发现了一种名为CN中心的新型稳定硅基量子比特。该成果已发表于《物理评论B》期刊。

量子比特可以基于晶体中的原子级缺陷。典型代表是金刚石晶体中的NV中心（由一个氮原子N与相邻的空位V构成）。这类缺陷能与电子和光相互作用，可发射用于传输量子信息的单光子，或在量子网络中进行处理。

近期研究聚焦于硅材料中的T中心缺陷，其量子信息存储时间与NV中心相当，并能发射通信波段的光子（该波段在光纤中传输损耗极低）。但T中心由碳氢原子构成，氢元素的存在使其结构脆弱且对制造条件敏感——氢原子易在晶体内迁移，加工过程难以控制，这给器件制造的稳定性和可重复性带来挑战。

该团队通过第一性原理计算模拟发现，由碳氮原子构成的CN中心具有显著优势。“不同于T中心，这种缺陷不含氢元素，因此结构更稳定且更易实现于实际器件。”项目负责人、博士后研究员Kevin Nangoi解释道。

参与研究的Mark Turiansky（现为美国海军研究实验室博士后）指出：“模拟表明CN中心完全具备T中心吸引量子应用的电子与光学特性——不仅结构稳定，还能发射通信波段光子。”

这项发现为量子科学与可扩展技术架设了重要桥梁。Van de Walle教授展望道：“若获实验验证，CN中心将成为量子器件的实用新组件，在沿用现有硅材料的基础上加速先进量子技术发展。”

研究由美国能源部科学办公室基础能源科学项目资助，计算资源来自国家能源研究科学计算中心。