硅材料中发现新型量子“积木”

来源：科技日报

科技日报记者 刘霞

美国加州大学圣巴巴拉分校科学家在硅材料中发现了一种强韧的新型量子“积木”——碳氮（CN）中心。这一成果或将为量子技术发展开辟新路径。相关论文发表于新一期《物理评论B》杂志。

此次发现的CN中心，本质上是一种存在于晶体内部的原子级“点缺陷”，类似于科学家此前已在金刚石晶格内发现的氮空位（NV）中心。这些微小的缺陷结构，能与电子和光巧妙“对话”，发射出携带量子信息的单光子，是构建量子网络和处理器的理想单元。

此前，科学家已在硅中发现一种名为T中心的缺陷，它能像NV中心一样长久存储量子信息，且能发射出适合光纤传输的电信波段光。T中心由碳和氢原子构成，但氢原子天性“活泼”，极易在晶体中移动，使材料制造过程难以把控，设备难以可控量产。

团队此次从无氢的CN中心身上看到了曙光。这一不含氢的全新结构，天然规避了制造难题，展现出超越前者的坚固性与稳定性，有望成为量子器件更理想的“积木”。

团队借助先进的第一性原理计算机模拟，从原子层面为CN缺陷“画像”。结果显示，CN中心不仅完美复刻了T中心备受青睐的电子与光学特性，更在电信波段展现出稳定而强大的光发射能力，且自身结构坚固稳定。

在硅中锁定一个不含氢且能发射电信波段光子的量子光源，是连通量子理论与可扩展技术的关键一步。后续实验若能证实其全部潜力，CN中心将作为实用化的量子“积木”，加速量子技术的演进，让未来的量子设备也能扎根于硅基沃土。