2026年10月6日——创建量子器件往往始于有意损伤一块晶体。科学家向材料发射超快激光脉冲，将原子撞离原位，留下被称为空位的微小缺陷。这些空位远非瑕疵，而是可以充当量子比特——量子信息的基本构建单元。

挑战在于精度。研究人员希望将这些量子缺陷精确放置在需要的位置，但直到现在，他们对激光产生缺陷的瞬间晶体内部发生的情况了解仍然有限。

“我们的长期目标是实现确定性缺陷创建。我们希望每次都能把量子缺陷精确放置到我们预定的位置。”——Haidan Wen，阿贡国家实验室科学家

美国能源部（DOE）阿贡国家实验室的科学家如今朝着解决这一问题迈出了重要一步。借助美国能源部科学办公室用户设施先进光子源（APS），该团队开发了一种新的X射线成像技术，使他们能够以三维方式实时观察碳化硅在超快激光脉冲击中后立即如何响应。他们的工作提供了激光能量如何在材料中运动的实时图像——这是朝着以原子级精度构建量子器件迈出的关键一步。

该研究发表在ACS Nano上，并得到了Q-NEXT的支持。Q-NEXT是由阿贡国家实验室领导的美国能源部国家量子信息科学研究中心。

“在能够精确设计量子缺陷之前，必须确切了解激光在材料内部做了什么，”阿贡国家实验室科学家、该论文作者之一Haidan Wen说。“这项技术使我们能够观察这一过程的展开，尤其是原子以以前不可能的方式运动。”

构建更好的量子材料

借助量子物理的特性，量子信息技术有望为人们提供共享信息的新方式。它们可以加速药物发现、帮助保护金融交易，并利用量子计算为当前棘手的问题提供解决方案。这些技术的基础是量子比特。

碳化硅已成为最有前景的量子比特材料之一。它能够承载原子尺度的缺陷，这些缺陷的量子态可以存储和处理信息。而且它已被半导体行业广泛使用，这使其成为大规模制造未来量子技术的一个有吸引力的平台。

科学家通过用仅持续十亿分之一秒的百万分之一的超快激光脉冲轰击晶体来创建缺陷。

与依赖电子束或离子束的早期方法相比，激光提供了在晶体内部精心选择的位置创建空位的可能性。但研究人员尚未完全理解能量在空位形成之前如何穿过材料。

“我们的长期目标是实现确定性缺陷创建，”Wen说。“我们希望每次都能把量子缺陷精确放置到我们预定的位置。”

把X射线用作相机

为了更好地理解这一过程，研究人员求助于APS——世界上最亮的X射线源之一。

他们的方法将超快激光与一个极小、高度聚焦的X射线束结合在一起。激光启动这一过程，而精确同步的X射线脉冲则像相机一样，记录晶体随时间如何响应。

与可见光不同，硬X射线能深入材料内部，同时对单个原子的位置保持敏感。这使研究人员能够观察表面之下发生的结构变化——这是传统光学技术难以轻易实现的。研究人员利用阿贡国家实验室的纳米尺度材料中心——另一个美国能源部科学办公室用户设施——来解释X射线衍射图样，并用它们测量碳化硅发生了怎样的变化。

该团队还通过将X射线束聚焦到数百纳米宽，实现了极精细的空间分辨率——比人类头发丝细一百倍。

“这使我们有办法不仅看到表面正在发生什么，还能看到响应如何在晶体深处演化，”阿贡国家实验室科学家、该论文作者之一Stephan Hruszkewycz说。“这些深度信息一直缺失，而它们对于理解激光写入的量子缺陷如何形成至关重要。”

追踪能量穿过晶体

测量揭示了激光脉冲之后能量传播的两种不同方式。

一部分能量以有组织的机械波形式快速穿过晶体，类似于被击中后涟漪在拉伸表面上扩散。与此同时，部分能量以热的形式缓慢消散，使附近原子随机振动，之后晶体逐渐恢复平衡。

研究人员首次能够直接成像这些不同的能量传输过程如何在表面以及材料深处演化。能够对能量从晶体表面到内部的传播进行成像，带来了此前无法达到的细节水平。

为了直观理解这一过程，想象把一个保龄球扔到一块厚实的橡胶板上。撞击会使波纹穿过材料。激光在晶体内产生类似的扰动，而APS则充当超快相机，捕获一系列X射线图像，揭示在激光击中后的十亿分之一秒内扰动如何扩散和消退。

理解这种行为最终可能帮助科学家微调激光写入条件，以产生更可靠的量子缺陷。

“我们对这一过程的理解每提高一步，都使我们更接近对量子材料进行工程化设计，而不是靠反复试验去发现它们，”Hruszkewycz说。

未来发现的平台

尽管这项研究聚焦于碳化硅，但研究人员表示，这种成像方法可以适用于量子信息科学中使用的许多其他材料。

这项工作还凸显了APS所具备的独特能力：先进的X射线光学、超快激光系统和精确的定时电子设备使这类实验成为可能。

对于将量子信息科学专长与世界级材料表征能力相结合的阿贡国家实验室而言，该项目展示了新的测量工具如何加速未来量子技术的发展。

实时观察材料响应的能力本身并不能造出更好的量子比特。但通过揭示支配其形成的物理过程，它为科学家提供了改进制造方式所需的知识。

“我们的目标不仅仅是观察这些过程，”Wen说。“而是从中获得足够多的认识，以便我们最终能够以实用量子技术所需的精度水平构建量子器件。”