“缺陷”作为量子力学量子位的承诺。
作者:Evelyn Hu
有一种偏见是很自然的，即认为最高质量的器件是由最完美的材料(结晶、有序、化学计量)形成的。因此，具有讽刺意味的是，也许是违反直觉的是，半导体材料中特定种类的缺陷，如空位(缺少原子)，可以形成新的量子信息技术的基石。这种缺陷通常会在透明的材料中产生鲜艳的颜色，例如晶体金刚石，因此，我们经常把这些缺陷称为“颜色中心”。这些缺陷带来的新机会与量子力学信息比特(或“量子位”)的创造有关。
今天强大的半导体信息和计算技术建立在“比特”的基础上，比特是信息的基本单位，通常有两个可能的值之一(例如，“0”和“1”)。通常这两个值是由晶体管的状态体现的，无论是“开”(导电)还是“关”(非导电)。数十亿个逻辑上的“0”和“1”的连接代表了巨大的信息复杂性，但这种复杂性又映射回了体现这些比特的众多、小规模、密集包装的物理组件(晶体管)。
量子力学位或“量子位”可以看作是经典位的类似物。与经典比特一样，量子比特通常是一个两级系统，具有“0”(通常表示为|0⟩)和“1”(通常表示为|1⟩)。量子比特的物理体现可能是超导结、被困离子或电子的自旋。除了|0⟩和|1⟩之外，量子力学描述还允许量子比特状态是|0⟩和|1⟩的线性组合或叠加。
量子力学也允许量子比特的纠缠。这涉及到量子位状态的相关性，因此对一个集合中一个量子位的描述不能独立于其他量子位的状态。例如，电子的自旋是量子力学的描述符，如果一对纠缠自旋产生净零自旋，并且一个自旋被测量为具有给定的极化或方向，那么另一个自旋(量子位)必须具有相反的极化。叠加和纠缠使量子比特的组合具有比经典量子比特更大的信息，这构成了量子信息技术新兴领域的巨大吸引力的一部分。
在什么条件下，量子比特阵列中的信息可以被保存和控制?主要的挑战与保持量子比特的一致性有关;准备特定的量子力学状态(例如，特定的自旋极化)，并在足够长的时间内保持自旋相干性，以确保可以在量子位组件上执行各种操作。近年来，研究界在各种量子位的控制和分析方面取得了深远的进展，同时在量子算法和纠错方面也取得了并行发展。超导量子比特在可制造性和规模化方面最为成熟，这构成了IBM、谷歌和英特尔等大公司发展量子计算机的基础。其他量子比特的实现也处于初期商业化阶段，包括那些基于俘获离子和冷原子的实现。在量子信息系统的第一个繁荣期，现在预测哪个物理量子比特系统(如果有的话)将占据主导地位还为时过早。
以半导体为基础的集成电路技术的巨大影响凸显了紧凑的“固态”计算和通信平台的优势。在金刚石和碳化硅(SiC)等材料中形成的颜色中心或“缺陷量子比特”，可能能够利用半导体器件处理和技术的基础设施来创建新的量子信息技术。
缺陷量子比特的基本元素与类原子结构有关，具有明确的电子自旋态和长自旋相干寿命，即使在室温下也是如此。研究得最好的缺陷量子比特是单晶金刚石中带负电荷的“氮空位(NV−)中心”:靠近碳空位的一个替代性氮原子。最近，除了SiC等材料中的缺陷量子位外，还在金刚石中探索了其他类型的缺陷。光子和缺陷的自旋态之间的相关性允许使用光学手段制备、控制和“读出”量子比特的量子态。这在对量子比特本身的初步理解和技术的长期积累方面都提供了一个重要的优势。
为了更好地理解缺陷量子比特的属性，采用“半满”的图像可能是有用的:而不是在一个完美的单晶主机中考虑一个不完美的结构，想象一个原子尺度的实体，其特征能量位于半导体能隙中，与价带或传导带相对隔离。然后，周围的半导体材料起隔离和保护缺陷状态的作用。此外，缺陷的高度局域电子/自旋态决定了缺陷量子比特独特的自旋-光子耦合，并影响其自旋相干寿命。缺陷量子比特对其局部环境的异常敏感性提供了优势和挑战。这种缺陷量子比特可以作为其局部自旋/磁环境的灵敏探针，并且这种量子比特作为传感器的使用已经在进行中。然而，这种敏感性，即使是对量子比特局部环境中的核自旋，也可能是量子比特退相干的来源。
除了限制退相干之外，通过半导体加工创造这些缺陷量子位还有许多挑战。在基础层面上，这些挑战包括缺陷的空间精度控制制造。在缺陷的产生中，我们必须避免过度的附带损害，这将对量子比特的相干时间产生负面影响。在更复杂的设备层面，如何产生纠缠，创建稳健稳定的量子比特信号，并实现低损耗信号传输，都面临着深刻的挑战。与此同时，还有相当多的其他可能的缺陷量子比特尚未被探索。其他“宽带隙”材料的缺陷，如氮化镓(GaN)和氧化锌(ZnO)，可能会使光子信号具有不同的光谱特征和稳定性，对局部应变或电光特性具有不同的、可能是可调的敏感性，从而产生新的、集成的量子器件功能。
平衡尚未开发的半导体量子位的前景，解决围绕更好发展的量子位的挑战，为未来的量子信息系统提供了巨大的创新机会。
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