2026年9月9日——帝国理工学院的研究人员参与了一项由英国工程与物理科学研究理事会（EPSRC）资助1260万英镑的新研究计划。该计划旨在利用原子尺度材料工程加速下一代光子与量子技术器件的开发，为通信、传感和计算解锁新的能力。

这项名为“先进器件材料工程”（MEAD）的EPSRC计划拨款为期五年，将汇集帝国理工学院、曼彻斯特大学和利兹大学的研究人员，聚焦于有望支撑未来安全通信系统、超灵敏量子传感器和可扩展量子计算的技术——这些领域均被视为对英国未来经济繁荣、安全保障和技术韧性具有战略意义。项目还获得560万英镑的额外合作伙伴资助。

在原子尺度上工程化材料

现代技术面临的最重大挑战之一，是如何以极高的精度利用工程材料，使其性能能够在单个原子层面得到控制，从而实现新的器件与能力。

MEAD将结合先进材料、量子技术和器件工程方面的专业知识，利用确定性单原子掺杂和同位素工程等技术，创造具有全新功能的材料，并证明这些材料能够被制造并应用到面向未来技术的器件中。

在帝国理工学院，研究将聚焦于一个互补性挑战：将原子尺度的突破转化为能够被可靠、规模化制造的技术。MEAD旨在通过开发新材料、新器件和新测量技术来弥合这一差距，为韧性通信、超灵敏量子传感和容错量子计算提供支撑。

在帝国理工学院开发下一代微波激射器

帝国理工学院材料系在该计划中的一个重点方向，是开发新一代高灵敏度“微波激射器”——激光的微波对应器件。这类器件能够以极低的噪声放大极其微弱的信号，因此对先进通信和量子技术都具有吸引力。微波激射器在帝国理工学院被发现，并可在室温下工作，它们有望在未来的地面通信系统中发挥重要作用，使系统减少对卫星的依赖，在这个日益互联的世界中提供更强的韧性。

MEAD还将攻克阻碍量子技术发挥全部潜力的一些关键工程难题。借助利兹大学布拉格中心的能力，MEAD将基于精确工程化的半导体材料开发新型量子器件，包括先进的“qudit”（高维量子比特），其能够承载比传统量子比特更多的信息。通过以史无前例的原子控制水平创造材料，研究人员希望为更可扩展、更高效的量子计算系统开辟道路。帝国理工学院开发的微波激射器或许能提供一种可扩展的读出方案，在仅引入极低有害噪声的情况下，从量子比特和qudit中提取信息。

帝国理工学院的研究团队包括Neil Alford教授、Daan Arroo博士、Stephen Hanham博士和Shelly Conroy博士，四人均来自材料系功能材料方向。

Neil Alford教授表示：“未来几十年社会所依赖的许多技术，都需要仅靠现有材料无法实现的精度和性能水平。MEAD的意义在于创造解锁下一代通信、量子技术和传感系统所需的材料、器件与测量能力。”

“MEAD的意义在于创造解锁下一代通信、量子技术和传感系统所需的材料、器件与测量能力。”Professor Neil Alford，FREng，FRS，工程学院材料系材料学教授

Daan Arroo博士将牵头利用微波激射器实现量子计算机可扩展量子比特读出的研究，他表示：“帝国理工学院开创了现代微波激射器的先河，MEAD计划拨款将使我们能够继续将这项技术从实验室突破转化为实际应用。我很期待看到微波激射器迈出这一步，应对量子工程中一些最具挑战性的问题。更广泛地说，我们的研究证明了材料科学在释放新兴量子技术全部潜力方面持续具有的重要意义。”

Stephen Hanham博士补充道：“微波激射器展示了量子技术如何带领我们突破传统晶体管电子器件的性能极限。通过在微波频率上利用量子效应，我们可以开发出噪声极低、灵敏度极高的放大器，为未来的通信系统开辟新的可能。”

Shelly Conroy博士表示：“对于量子材料来说，当器件本身可能只在绝对零度以上几度的温度下工作时，仅仅了解材料在室温下的样子是不够的。借助氦温电子显微镜，我们现在可以在这些工作条件下观察原子结构和电子行为，并将其与掺杂剂和同位素在材料中的实际位置联系起来。这为我们提供了一条从工程化单个原子到理解它们在真实量子器件中作用的完整路径。”

将原子尺度研究转化为未来技术

帝国理工学院是欧洲首个具备原子分辨率氦冷扫描透射电子显微镜（STEM）与叠层成像（ptychography）能力的机构，能够在超低温下直接观察原子与电子结构的变化。这项工作还将与SuperSTEM的单色电子能量损失谱（EELS）同位素与掺杂剂关联成像，以及帝国理工学院的原子探针层析技术相结合。

该计划预计将带来远超其核心研究领域的成果，影响范围涵盖半导体、光子学、低损耗电子学、通信技术和先进制造等多个领域。

在世界各国竞相争夺量子技术与先进材料领域领先地位的背景下，MEAD代表着对可能塑造未来几代通信、计算和传感系统的科学能力的一项重要投资。