構(gòu)建大規(guī)模量子技術(shù)需要可靠的方法來連接單個(gè)量子比特（qubit），而不破壞它們脆弱的量子態(tài)。在一項(xiàng)新的理論研究中，發(fā)表在 npj Computational Materials 上，研究人員表明，晶體位錯(cuò)——長期以來被視為缺陷的晶體位錯(cuò)——實(shí)際上可以作為量子互連的強(qiáng)大構(gòu)建塊。

通過先進(jìn)的第一性原理模擬，由俄亥俄州立大學(xué)的瑪麗亞姆·加齊薩伊迪教授和芝加哥大學(xué)普利茲克分子工程學(xué)院（UChicago PME）及化學(xué)系的朱莉亞·加利教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)展示了氮-空位（NV）中心在鉆石中，作為領(lǐng)先的固態(tài)量子比特平臺(tái)，可以被吸引到位錯(cuò)處，并在靠近這些線缺陷時(shí)保持其量子特性，甚至在某些情況下得到改善。

“由于位錯(cuò)形成了貫穿晶體的準(zhǔn)一維（1D）結(jié)構(gòu)，它們?yōu)閷⒘孔颖忍嘏帕谐捎行蜿嚵刑峁┝俗匀坏目蚣埽惫餐谝蛔髡?、UChicago PME 加利組的研究員張存志表示。

這項(xiàng)研究結(jié)合了芝加哥大學(xué)和俄亥俄州立大學(xué)在材料科學(xué)、機(jī)械工程、量子信息科學(xué)以及高性能計(jì)算方面的專長。

論文中的模擬利用了在中西部集成計(jì)算材料中心（MICCoM）開發(fā)的GPU加速大規(guī)模并行代碼，該中心由Galli領(lǐng)導(dǎo)。

“這些前所未有的大規(guī)模第一性原理計(jì)算使我們能夠準(zhǔn)確建模1D位錯(cuò)核心缺陷的復(fù)雜量子特性，”共同第一作者、阿貢國家實(shí)驗(yàn)室的科研人員及MICCoM首席研究員Victor Yu表示。

研究表明，許多靠近位錯(cuò)核心的 NV 中心在所需的電荷和自旋狀態(tài)下保持穩(wěn)定，并保持有效的光學(xué)循環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)其自旋狀態(tài)的光學(xué)初始化和讀出。

“值得注意的是，我們預(yù)測(cè)靠近位錯(cuò)的特定 NV 配置相比于完好鉆石中的 NV 中心表現(xiàn)出顯著增強(qiáng)的量子相干時(shí)間，”Ghazisaeidi 說。

這種改進(jìn)源于對(duì)稱破缺，它在位錯(cuò)附近創(chuàng)造了特定狀態(tài)，被稱為“時(shí)鐘躍遷”，保護(hù)量子比特不受環(huán)境磁噪聲的影響。

除了建立穩(wěn)定性和一致性之外，這項(xiàng)工作提供了詳細(xì)的預(yù)測(cè)，光學(xué)和磁共振的特征，這些特征可以幫助實(shí)驗(yàn)識(shí)別有用的NV-位錯(cuò)配置。

“雖然并非所有缺陷排列都適合量子操作，但結(jié)果表明，相當(dāng)一部分滿足量子比特功能的標(biāo)準(zhǔn)，”共同作者于進(jìn)表示，他在研究時(shí)是芝加哥大學(xué)的研究生，現(xiàn)在是紐約平面研究所的博士后研究員。

總的來說，這項(xiàng)研究的發(fā)現(xiàn)為量子設(shè)備設(shè)計(jì)引入了一種新范式：將位錯(cuò)視為不需要消除的缺陷，而是可以承載和促進(jìn)相互作用的量子鏈的高速公路。這種方法為在鉆石及其他材料中實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展的量子互連鋪平了道路，為未來的固態(tài)量子技術(shù)提供了一種有希望的方案。

更多信息： 作者張存志等，朝向位錯(cuò)驅(qū)動(dòng)的量子互連技術(shù)，《npj 計(jì)算材料》（2026）。DOI: 10.1038/s41524-025-01945-3