2026年6月1日——量子计算的下一个重大进展可能取决于研究人员如何精确地塑造和传递光。在一项为期五年、金额为665,195美元的国家科学基金会CAREER奖项支持下，Crystal Noel将测试一种名为铌酸锂的新型光子材料是否能实现这种量子飞跃。

Noel是杜克大学电气与计算机工程及物理学助理教授，也是量子计算机离子阱平台方面的专家。该平台使用精密控制的激光束在半空中准备、移动、固定和测量离子。目前，这种控制依赖于量子机器外围的大型精密光学设备。这套设置虽能满足当前使用需求，但设备笨重、难以扩展，且会在本已敏感的系统中引入不必要的变量。

Noel的项目核心是尝试使用薄膜铌酸锂，将这些庞大的光学装置缩小到芯片上。这种材料前景看好，因为它已在电信等其他应用中用于高效地引导和塑造光。

然而，这些其他应用使用的是红外波长，而量子计算机则需要可见光中蕴含的更高能量。

Noel说：“当高强度可见光进入薄膜铌酸锂时，它可能会以不可预测的方式发生变化，从而扭曲激光信号。这种现象被称为光折变效应，而对于量子计算机来说，微小的失真可能构成重大挑战。”Noel是位于北卡罗来纳州达勒姆市中心的杜克量子中心成员。

她的团队将研究薄膜铌酸锂在操作离子阱所需的高强度、精密激光束下的表现。首先，他们将在受控实验中测量材料的响应。然后，他们将把光子原型器件连接到实际的离子阱上，观察这些效应如何在量子操作中显现出来。

Noel说：“我们的目标是了解由薄膜铌酸锂制成的光子器件能否提供足够稳定和精确的激光，以维持离子阱带来的低误差量子操作。”

如果薄膜铌酸锂被证实能用于可见光，它可能会变革量子计算机系统。更大的光学装置所能实现的相同功能，可被维持在一块计算机芯片的大小内。此外，薄膜铌酸锂可能让研究人员将光传输和离子阱与光学元件集成在同一芯片上——而使用现有技术很难实现这一目标。

Noel说：“这种材料能让你在每平方英寸内获得更强的能力。这使其成为少数几种可能与离子阱直接集成的实用路径之一。”

量子计算机系统的这些改进可能会为整个领域开辟新方向，有望带来更小、更具扩展性的量子计算机、更稳定的操作以及紧凑的量子传感器。

培养下一代量子劳动力

除了实验室实验，该CAREER奖项还包括资金，用于扩展从中学到社区大学学生的量子教育。

Noel的团队将与杜克大学共享材料仪器设备中心合作，在现有的夏令营和推广项目中引入新的量子启发式活动。学生将能够通过显微镜观察光子芯片，并体验创建这些芯片的简化版制造步骤。

第二项努力将让达勒姆技术社区大学的学生来到杜克量子中心进行实践实习。他们将接触量子研究，同时积累行业经验或为四年制学位做准备。

Noel说：“与达勒姆技术社区大学的这次合作，将使我们能够开始建设操作这些量子技术所需的劳动力和人才库。”