該研究將推動量子通信、密碼學(xué)、傳感和計算等技術(shù)在更高溫度下的運行。

美國高校和巴黎高校的研究人員通過國際合作，發(fā)現(xiàn)了在更高溫度下實現(xiàn)超導(dǎo)或超熒光等奇異量子態(tài)的機(jī)制和必要條件。該成果將助力建造未來無需超低溫即可運行的量子計算機(jī)。

人類對更新更先進(jìn)技術(shù)的渴求已進(jìn)入量子領(lǐng)域，科學(xué)家們正在探索超越原子結(jié)構(gòu)的材料可能性。量子計算和傳感是利用量子特性實現(xiàn)難以想象目標(biāo)的主要范例。量子計算機(jī)可以解決連最快的超級計算機(jī)也要幾十年才能完成的問題。然而，這些設(shè)備只能在極低的溫度下運行，這種條件在實驗室外幾乎無法復(fù)制用于商業(yè)應(yīng)用。因此，開發(fā)能在相對較高溫度下工作的材料至關(guān)重要。

為什么奇異的量子態(tài)需要超低溫？當(dāng)材料表現(xiàn)出集體行為時，如魚群游動或螢火蟲同步閃光，但這是在量子水平上，就能實現(xiàn)超導(dǎo)或超流體等量子態(tài)。研究人員稱之為宏觀量子相變，即量子粒子群形成一個宏觀相干系統(tǒng)，然后像一個巨大的量子粒子一樣表現(xiàn)出超熒光或超導(dǎo)等奇異量子態(tài)。但這只能在超低溫下實現(xiàn)，因為高溫下的能量會產(chǎn)生"噪聲"，破壞材料的同步性，從而阻止量子相變。

美國北卡羅萊納州立大學(xué)物理學(xué)教授凱南·貢多杜及其合作者此前發(fā)現(xiàn)，混合鈣鈦礦材料的原子結(jié)構(gòu)可以保護(hù)量子粒子免受熱噪聲影響的時間足夠長，從而發(fā)生量子相變。在這些材料中，極化子（與電子結(jié)合的原子團(tuán)）形成，并將發(fā)光偶極子與熱干擾隔離。這導(dǎo)致了超熒光等奇異量子態(tài)。然而，這種隔離機(jī)制仍然未知。

現(xiàn)在，貢多杜及其同事與美國多所主要大學(xué)和巴黎綜合理工學(xué)院的研究人員合作，利用激光激發(fā)極化子內(nèi)部的這些電子，并發(fā)現(xiàn)了一個更大的團(tuán)，稱為孤子。貢多杜在新聞稿中解釋說："把原子晶格想象成一塊拉伸在兩點之間的精細(xì)布料。如果你在布料上放置代表激子的實心球，每個球都會在局部使布料變形。要獲得像超熒光這樣的奇異狀態(tài)，你需要所有的激子或球形成一個相干基團(tuán)，并作為一個單元與晶格相互作用，但熱噪聲在高溫下阻止了這一點。"球及其局部變形共同形成極化子。孤子是晶格中極化子的有序形成，可抑制熱擾動。新聞稿補充說，孤子的形成要求材料中受激極化子的密度必須很高。這一假設(shè)在杜克大學(xué)和巴黎綜合理工學(xué)院的實驗結(jié)果中得到了進(jìn)一步證實。

貢多杜補充說："這項工作提出了一個定量理論，并用實驗結(jié)果加以支持。超導(dǎo)等宏觀量子效應(yīng)是我們正在追求的所有量子技術(shù)（量子通信、密碼學(xué)、傳感和計算）的關(guān)鍵，而這些技術(shù)目前都受到低溫需求的限制。但現(xiàn)在既然我們理解了這一理論，我們就有了設(shè)計新型量子材料的指導(dǎo)方針，這種材料可以在高溫下工作，這是一個巨大的進(jìn)步。"

該研究成果發(fā)表在《自然》雜志上。

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