科学家记录晶体内量子位形成前的原子震波变化

科学家们记录了量子位形成前一瞬间晶体内部发生的变化。美国能源部阿贡国家实验室的研究团队追踪了碳化硅内部的三维结构变化。他们在实验中使用了全球最强大的 X 射线源之一。研究结果发表在《ACS Nano》期刊上，使研究人员能够实时观察材料的原子晶格如何对激光打击作出反应。构建固态量子设备通常涉及故意造成损坏。物理学家向晶体晶格发射一束极快的激光脉冲。闪光仅持续一瞬间，并将单个原子撞出位置。

量子位的基本组件

这一过程留下了被称为空穴的微小空隙。“这些空穴并非缺陷，它们可以作为量子位行为——量子信息的基本组件，”阿贡国家实验室指出。量子位用于存储和处理量子信息，因此，它们是量子计算机、安全通信网络和先进医疗传感器的基本构件。

迄今为止，这种激光打击的确切物理机制仍然是盲点。旧有的方法使用离子或电子束，但对位置的控制有限。激光可以针对特定位置，但研究人员只能猜测能量如何在晶格中移动。创建量子位在很大程度上是一种试错过程。“在您能够精确设计量子缺陷之前，您必须确切了解激光在材料内部的作用，”阿贡国家实验室的科学家海丹·温（Haidan Wen）表示，他是该论文的作者之一。“这项技术使我们能够观察这一过程展开，特别是原子以以前不可能的方式移动。”

为了解决这一难题，阿贡团队建造了一台原子级别的相机。他们将超快激光与实验室的先进光子源相结合，该光子源能够产生极为明亮的 X 射线束。团队将这束光聚焦至数百纳米，约为人类头发的百分之一。

观察原子震波变化

硬 X 射线能够直接穿过晶体。由于这种穿透，脉冲记录了样本内部的活动，而不仅仅是外表面。激光击中材料，并同步的 X 射线闪光捕捉了随即的即时反应。影像显示了两种不同的物理反应并行发生。部分能量以有序的冲击波形式穿过晶体。这种波动如同在被击打的橡胶表面上扩散的涟漪。同时，其余的能量则以较慢的速度以热量扩散。这一热脉冲使附近的原子随机振动，然后晶格再次稳定下来。

碳化硅已经是商业计算机芯片行业的基石。工厂已经知道如何大规模生产它。因此，该材料被广泛视为大规模生产量子硬件的最佳候选。

工程师希望这些数据能减少试探的需要。通过映射这种能量转移，研究人员的目标是最终能够在需求上精确地将单个量子位放置在特定坐标上。该团队现在计划在其他量子材料上测试他们的成像方法，使实验室生产的原型更接近工厂的装配线。

量子计算的未来发展潜力

这项研究揭示了量子位形成过程中的关键物理机制，特别是激光对晶体内部原子运动的影响。通过实时观察，科学家能够深入了解能量在晶格中的传递，这对于量子计算机的发展至关重要。碳化硅作为商业芯片的基石，若能成功应用于量子硬件，将大幅推进量子技术的商业化进程。这些技术的进步不仅能提升量子计算的效率，还可能促进更安全的通信和先进的医疗应用。