2026年7月14日——量子材料有望革新从强大计算机、超高安全性通信到先进能源系统等一系列技术。但一直以来，存在一个主要障碍。

几乎所有已知的量子材料只有在冷却到接近绝对零度的温度时，才能展现出其非凡特性。在室温下，热量会产生持续的原子振动，从而破坏了科学家们试图利用的微弱量子行为。控制这些振动需要庞大的低温制冷系统，这使得量子材料在实验室中功能强大，但很难转化为实用技术。

在《自然》杂志发表的一项研究中，路易斯安那州立大学的物理学家们开发出了首个能够在室温下区分并传输不同光量子态的量子材料，克服了量子材料研究中的最大挑战之一。这项由物理学副教授奥马尔·S·马加尼亚-洛艾萨领导的工作，为设计全新一类量子材料建立了一个通用设计原则，为量子计算、安全通信、传感技术和先进能源系统开辟了新的可能性。

对于曾是博士后研究员、现任教于中国电子科技大学的游成龙来说，最令他感到欣慰的时刻之一，是团队非同寻常的方法完全按照理论预测实现了效果。

游成龙表示：“这个项目最激动人心的部分之一，是意识到我们可以构建一种自然界本身无法提供的材料。看到它完全按照我们预测的方式工作，令人感到非常欣慰。”

从头构建量子材料

团队没有寻找具有合适量子特性的天然材料，而是自行设计并构建了一种。

为了制造这种材料，研究人员在玻璃芯片上沉积了一层金薄膜。他们使用聚焦离子束，在黄金上雕刻了数百个微米级狭缝，每个狭缝就像一个“人工原子”或“超原子”。这些超原子共同形成了一种自然界中不存在的晶体，其厚度比人类头发丝的宽度还要薄。

当光进入芯片时，它会沿着金表面传播并与这些超原子相互作用。通过精心控制超原子的大小、形状和间距，团队设计出的材料能够在室温下以从未实现过的方式操纵光。

“通过设计等离激元超晶体中超原子的分布，我们可以系统地决定允许哪些量子统计量通过结构，”刚刚完成博士学业、将加入美国国家标准与技术研究院担任国家研究委员会博士后研究员的莱利·B·道金斯说道。

从最初的想法到最终的实验，该项目的每一个阶段——从理论、材料设计到纳米加工和实验验证——都在马加尼亚-洛艾萨领导的LSU量子光子学研究组内完成。

但这项突破的意义远不止创造一种新材料，而在于这种材料所带来的可能性。

区分量子态

并非所有光的行为方式都相同。

太阳光、激光和荧光都含有光子，但这些光子的波动和相互作用方式不同。这些细微差异决定了光在量子层面的行为，但传统上识别它们需要精密的仪器、低温探测器和数百万次测量。

团队的超晶体可以自动完成这项工作。它不仅能响应光波的色彩或强度，还能区分入射光之间微妙的量子差异，并引导每种量子态沿着超晶体内的不同路径传播。

同样重要的是，这些路径允许某些量子态在通过材料传播时，其统计学特性（定义每种量子态的独特特征）变化更少。

“我们称这种特性为鲁棒传输，”马加尼亚-洛艾萨说。“这些量子态携带信息。我们的晶体可以在无需低温冷却的情况下，以鲁棒的方式区分它们，并将它们从一个点传输到另一个点。这为实用量子技术打开了大门。”

物理学家将这种集体行为描述为量子相干性，而保持这种相干性是量子信息科学的核心挑战之一。在《自然》论文中，研究人员将他们的超晶体描述为第一个对多体系统量子相干性敏感的室温量子材料。

一类新的量子材料

这项突破与现有材料有着根本性的不同，以至于研究人员不得不为它发明一个新名称：量子统计等离激元超晶体。

马加尼亚-洛艾萨小组的研究生扬纳图尔·费尔杜斯表示：“对我来说，这不只是一个项目——这是一个围绕着在量子技术中创造全新事物这一理念的集体努力。真正令人兴奋的是，我们不仅在创造一类新的室温量子材料，同时也在发展理论来理解并控制其行为。看到这个想法成为实验现实，令人非常满足。”

研究人员还发现，这种超晶体自然形成了他们所称的“量子统计带”，这类似于决定半导体如何导电的电子能带结构。

通过工程化设计超原子的排列，他们可以决定哪些量子态被允许在材料中保持不变地传输，哪些量子态在传输过程中会受到统计上的改变。科学家们现在可以有意地设计材料，以可预测的方式引导量子态，而不再依赖于具有理想特性的天然材料。

换句话说，这项研究为创造未来的量子材料提供了蓝图——而不仅仅是当前这一种。

从量子计算机到更清洁的能源

由于这种材料在室温下工作，其潜在应用远不止于基础物理学。

未来的量子计算机可以使用类似材料来传输微妙的量子信息，而无需依赖庞大的低温制冷系统。同样的原理还可以促成更实用的量子通信网络、超灵敏传感器以及其他新兴量子技术。

让光以更少的损耗在材料中持续传播的能力，也可能惠及可再生能源。

在当今的太阳能电池中，部分入射太阳光会被困在材料内部，并最终转化为热量而非电能，从而降低了可收获的能量。通过沿更鲁棒的路径引导光，这种超晶体可以帮助保持更多的能量在材料中传播，而不是被耗散掉。

这恰好是马加尼亚-洛艾萨计划接下来要测试的内容。

团队下一步计划是将这种超晶体集成到太阳能电池中，并研究它是否能提高转化为可用电能的阳光量。如果成功，这项工作将展示一项根植于基础量子物理学的发现如何能够直接改进下一代太阳能技术。