2026年9月28日——从量子计算机到超精密传感器，未来许多突破性技术都取决于在原子层面工程化材料。一项新的1260万英镑计划旨在利用这一点来创造先进设备。

从原子到设备

一种传感器，其精度之高，无需挖一个洞，就能从地表发现埋藏的管道和空洞。一种窃听者无法藏身的通信系统。一台能够模拟分子行为的计算机，从而加速药物发现和材料设计。

这些有什么共同点？它们都是量子技术提供的可能性，也都面临一个共同挑战：能够以如此高的精度工程化材料，以至于可以将单个原子放置在需要的位置，并以普通材料根本无法做到的方式保持其量子行为。

这正是今年启动的一项新的1260万英镑研究计划背后的目标，该计划由英国工程与物理科学研究委员会（EPSRC）资助。该计划名为 Materials Engineering for Advanced Devices（MEAD），由曼彻斯特大学的 Richard Curry 教授领导，并与曼彻斯特大学、帝国理工学院和利兹大学的同事合作。

精度难题

量子技术的工作原理是利用在单个原子尺度上支配物质的不寻常规则——这些规则使计算、传感和通信中的某些能力成为可能，而这是传统电子技术无法实现的。然而，当一个错位的原子就可能导致量子设备无法工作时，理解并控制原子级结构不仅是有用的，而且是成败的关键。

曼彻斯特大学对 MEAD 计划的领导从这里开始。该校拥有纳米尺度先进材料工程平台（P-NAME），这是一套由三台在国际上独一无二的仪器组成的平台，能够以优于20纳米的精度将单个原子植入材料中——比人类头发细约3000倍。

正是这种能力，结合先进的同位素工程（即使用某种元素的特定原子形式来微调其量子特性），最近制造出了世界上最纯的硅。这项研究发表在期刊 Communications Materials （doi.org/10.1038/s43246-024-00498-0）上，为量子设备开辟了一条新途径：这些设备能够可靠运行，而无需不断校正由不需要的原子杂质（错位原子）造成的干扰。

“我们共同致力于应对同一个挑战：构建新设备，但在曼彻斯特，我们将特别利用我们在纳米尺度材料工程方面的专业知识，从而能够创造出一系列新的先进材料——这些材料经过专门设计，以在其核心提供所需的量子特性。

我们不会仅仅在实验室里研究这些材料及其量子特性。我们会将它们构建成可工作的原型设备，以证明它们可用于现实世界的量子技术，例如量子计算机、安全通信系统和先进传感器。我们的目标是让这项研究对量子技术在社会中的应用产生变革性影响。”

从原子到设备

MEAD 有三个相互关联的目标，第一个是生产量子技术所需的基本构件。

Jayadev Vijayan 博士正在开发一类新型量子传感器，旨在利用真空中保持的、具有量子工程特性的微观粒子。随着现有的俘获原子设备被这些宏观粒子取代，这种方法可能会极大提升当前技术的传感性能。与此同时，Huanqing Ye 博士正在研究单光子源：即发射单个光粒子（光子）的设备，这对量子安全通信至关重要。

与此同时，Richard Curry 教授正在领导利用放置在同位素纯硅中的单原子阵列来展示长寿命量子特性，以用于量子计算。这些材料将在曼彻斯特大学新的 Hi-CaLM 设施中进行测试。该系统能够将设备冷却到仅比绝对零度高零点几度的温度，在这样的条件下，可以在真实设备环境中观察和利用量子行为。

第二项任务是开发工具，使科学家能够理解原子尺度上实际发生的事情。

Sarah Haigh 教授领导这项工作，旨在将材料成像拓展到当前极限之外。这应不仅能揭示原子的位置，还能揭示它们代表每种元素的哪种形式（同位素）——这决定了量子设备的行为方式。

Jessica Boland 博士正在开发一种技术，利用一种能够穿透材料的光，在不干扰或损坏工作设备的情况下，精确定位其中单个原子的位置。

Katie Moore 博士则使用一种名为 nanoSIMS 的技术，以尽可能高的分辨率验证正在工程化的材料确实含有其设计中应有的成分。能够在原子尺度上检查材料，并将这些发现反馈到工程过程中，这将使有依据的开发与猜测区分开来。

该计划的第三部分聚焦于微波激射器（masers）——相当于微波波段的激光器，能够接收并放大极其微弱的信号，同时几乎不引入自身干扰（或许可以想象一个麦克风，能把房间另一头的耳语放大，而不增加任何噪声）。

这项微波激射器研究由帝国理工学院的 Alford 教授团队领导，现代室温微波激射器就是在那里首次开发出来的。

曼彻斯特大学的 Jodrell Bank Observatory 将作为测试平台，把这项技术应用于“对流层散射通信”——一种将信号反射到地球高层大气、从而在不依赖卫星的情况下进行远距离通信的方法。

利兹大学的 Bragg Centre 内设 Leeds Nanotechnology Cleanroom，它将利用曼彻斯特团队工程化的材料制造量子设备，然后将其送回曼彻斯特大学的 Hi-CaLM 设施进行测试和分析。

MEAD 将依托我们在先进材料、设备工程和量子材料方面共同拥有的国际公认优势，交付对国家安全至关重要的技术、新一代传感能力，以及量子计算的未来。

Curry 教授，曼彻斯特大学负责研究与创新的副校长

该计划依托三所机构现有价值超过1.5亿英镑的基础设施，其中常常使用耗时数十年建成的设施或设备。

对于已承诺向量子技术投资投入数十亿英镑的英国而言，MEAD 代表着对构建其实现目标所需科学基础的投资。