科學家記錄晶體內量子位形成前的原子震波變化

科學家們記錄了量子位形成前一瞬間晶體內部發生的變化。美國能源部阿岡國家實驗室的研究團隊追蹤了碳化矽內部的三維結構變化。他們在實驗中使用了全球最強大的 X 射線源之一。研究結果發表在《ACS Nano》期刊上，使研究人員能夠實時觀察材料的原子晶格如何對鐳射打擊作出反應。構建固態量子設備通常涉及故意造成損壞。物理學家向晶體晶格發射一束極快的鐳射脈衝。閃光僅持續一瞬間，並將單個原子撞出位置。

量子位的基本組件

這一過程留下了被稱為空穴的微小空隙。「這些空穴並非缺陷，它們可以作為量子位行為——量子資訊的基本組件，」阿岡國家實驗室指出。量子位用於儲存和處理量子資訊，因此，它們是量子計算機、安全通信網絡和先進醫療傳感器的基本構件。

迄今為止，這種鐳射打擊的確切物理機制仍然是盲點。舊有的方法使用離子或電子束，但對位置的控制有限。鐳射可以針對特定位置，但研究人員只能猜測能量如何在晶格中移動。創建量子位在很大程度上是一種試錯過程。「在您能夠精確設計量子缺陷之前，您必須確切瞭解鐳射在材料內部的作用，」阿岡國家實驗室的科學家海丹·溫（Haidan Wen）表示，他是該論文的作者之一。「這項技術使我們能夠觀察這一過程展開，特別是原子以以前不可能的方式移動。」

為瞭解決這一難題，阿岡團隊建造了一台原子級別的相機。他們將超快鐳射與實驗室的先進光子源相結合，該光子源能夠產生極為明亮的 X 射線束。團隊將這束光聚焦至數百納米，約為人類頭髮的百分之一。

觀察原子震波變化

硬 X 射線能夠直接穿過晶體。由於這種穿透，脈衝記錄了樣本內部的活動，而不僅僅是外表面。鐳射擊中材料，並同步的 X 射線閃光捕捉了隨後的即時反應。影像顯示了兩種不同的物理反應並行發生。部分能量以有序的衝擊波形式穿過晶體。這種波動如同在被擊打的橡膠表面上擴散的漣漪。同時，其餘的能量則以較慢的速度以熱量擴散。這一熱脈衝使附近的原子隨機振動，然後晶格再次穩定下來。

碳化矽已經是商業計算機晶片行業的基石。工廠已經知道如何大規模生產它。因此，該材料被廣泛視為大規模生產量子硬件的最佳候選。

工程師希望這些數據能減少試探的需要。通過映射這種能量轉移，研究人員的目標是最終能夠在需求上精確地將單個量子位放置在特定坐標上。該團隊現在計劃在其他量子材料上測試他們的成像方法，使實驗室生產的原型更接近工廠的組裝線。

量子計算的未來發展潛力

這項研究揭示了量子位形成過程中的關鍵物理機制，特別是鐳射對晶體內部原子運動的影響。通過實時觀察，科學家能夠深入了解能量在晶格中的傳遞，這對於量子計算機的發展至關重要。碳化矽作為商業晶片的基石，若能成功應用於量子硬件，將大幅推進量子技術的商業化進程。這些技術的進步不僅能提升量子計算的效率，還可能促進更安全的通信和先進的醫療應用。