剑桥大学新研究为室温条件下量子应用打开大门

最近，英国剑桥大学卡文迪什实验室的研究人员揭示了六边形氮化硼（hBN）作为量子计算和传感新平台的潜力。他们最近在《自然材料》上发表的开创性研究表明，hBN中的单光子发射缺陷自旋（single-photon-emitting defect spin）可以在室温下保持量子相干性。这一发现可以为在环境条件下运行的实用、可扩展的量子网络和传感器铺平道路。

揭开六边形氮化硼的潜力

六边形氮化硼，或称hBN，是一种分层范德华材料，以其宽带隔和独特的光学性能而闻名。与许多需要低温或强磁场才能有效运作的量子系统不同，hBN的缺陷可以在室温下保持自旋相干性。这一特性使hBN成为量子技术应用极具吸引力的材料，有可能简化量子设备所需的基础设施。

卡文迪什实验室的研究人员专注于hBN中与碳有关的特定缺陷，该缺陷表现出自旋三元电子基态（spin-triplet electronic ground state）。这种缺陷允许在室温下实现单光子发射和量子相干控制，使其与传统上用于量子计算和传感的其他材料不同。

关键发现：旋转一致性和控制

这项研究最重要的发现之一是在室温环境条件下证明了hBN的扩展自旋相干性。自旋相干性是指电子自旋随着时间的推移保留量子信息的能力。研究人员使用基于微波的拉姆齐干涉法和光学检测磁共振（ optically detected magnetic resonance ODMR）等先进技术来测量和操纵缺陷的自旋特性。

结果令人印象深刻。发现非均匀消相时间（inhomogeneous dephasing time）约为100纳秒，这是衡量量子信息可以保存多长时间的量度。此外，自旋拉比相干时间（spin Rabi coherence time,）在室温下超过1微秒，而不需要外部磁场，这是表示自旋可以相干驱动多长时间的指标。使用动态解耦协议，通过多个重新聚焦脉冲，自旋回声相干时间可以延长到超过1微秒。

这些延长的相干时间对量子计算和传感应用至关重要，因为它们表明它们能够保持量子状态足够长的时间，以供实际使用。该研究结果表明，hBN可以作为开发室温自旋量子比特的强大平台，这对可扩展的量子网络和传感器至关重要。

区别于其他量子系统

与量子技术中使用的其他材料相比，hBN在环境条件下运行的能力是一个显著优势。传统系统通常依靠低温或大磁场来实现量子相干性，使它们与实际设备的集成变得复杂。相比之下，hBN的缺陷在室温下保持一致性，简化了操作要求，并有可能降低量子设备的成本和复杂性。

此外，hBN的分层性质提供了几个实际好处。它非常适合大面积增长和确定的缺陷生成，使其成为可扩展量子技术的理想候选者。将hBN集成到混合设备中的能力进一步增强了其吸引力，为开发先进的量子系统提供了灵活性。

潜在应用：从量子网络到传感

这项研究的影响意义深远，为量子技术应用开辟了新的途径。最有前途的领域之一是量子网络。在室温下保持自旋相干性的能力使hBN成为开发量子中继器和安全通信系统的理想候选者。这些网络依赖于长距离传输和存储量子信息，这需要具有强大相干特性的材料。

量子传感是另一个令人兴奋的应用。hBN中的缺陷对外部磁场具有高度响应性，使其适用于敏感的纳米级传感器。这些传感器可用于各个领域，从医学诊断到材料科学，检测磁场的微小变化至关重要。

该研究还强调了将hBN集成到纳米结构中的潜力，允许通过应变和电场调整自旋和光学特性。这种能力可能导致开发高度可定制的量子设备，这些设备适合特定应用。

随着量子技术领域的不断发展，像hBN这样的材料具有高一致性和操作简单性，将在开发下一代量子网络、传感器和计算系统方面发挥关键作用。这项研究不仅促进了我们对量子材料的理解，也使我们更接近于实现量子技术在日常应用中的全部潜力。