氧化钙掺杂铋实现低噪量子比特

氧化钙是一种廉价且常见的白色粉末状化合物，广泛应用于水泥、石膏、造纸和钢铁制造等传统工业领域。然而，这项来自芝加哥大学普里茨克分子工程学院的zui新研究揭示，这种普通材料可能即将迎来高科技应用的新篇章。研究团队与瑞典合作者通过理论计算发现，嵌入固体氧化钙中的单个铋原子可作为量子比特，即量子计算机和量子通信设备的核心构建单元。相关成果已发表于《自然·通讯》期刊。

该研究首席作者、普里茨克学院liew家族教授giulia galli表示："这一系统的性能甚至超出了我们的预期。它具有极低的噪声水平，能够长时间存储信息，且无需使用昂贵或特殊材料。"量子比特是量子计算中编码数据的基本单元。尽管目前已有多种类型的量子比特，通常由半导体材料中的微小点缺陷构成，但许多现有量子比特极其脆弱，周围环境的电子或磁"噪声"极易改变其性质，导致编码信息丢失。

早在2022年，日本科学家与galli及david awschalom团队曾合作模拟了超过12,000种材料，旨在寻找可能包含具有低噪声特性的量子比特缺陷的新固体。那次研究将氧化钙列为潜在候选材料之一。galli团队博士后nikita onizhuk指出："之前的工作告诉我们，只要在氧化钙结构中找到合适的缺陷，它就能成为存储量子信息的完美介质。因此，我们的新目标是寻找理想的缺陷类型。"

在新研究中，团队利用近年来建立的一系列计算方法，对氧化钙中超过9,000种不同缺陷进行了筛选。结果指向了一种特定的缺陷结构，即锑、铋或碘原子嵌入由钙和氧组成的常规氧化钙晶格中。linköping大学的首席作者joel davidsson表示："我们从未想过这些特定缺陷会如此有前景。"这种高吞吐量筛选方法的成功，依赖于彻底且无偏见的筛选程序。

建模结果显示，氧化钙中的铋缺陷理论上能够以极低的噪声编码数据，并保持相对较长的相干时间（数秒，而许多量子比特仅为毫秒级）。此外，得益于材料的折射率及其发射光子光的能力，该体系还有望与现有的电信设备良好兼容。目前，galli团队正与实验团队合作，尝试制备基于氧化钙的材料并验证理论预测。尽管处于早期阶段，但从基础科学角度看，该材料前景广阔。

对于中国量子计算产业而言，这一发现提示我们：在追求高性能量子比特的同时，不应忽视廉价、易得材料的潜力，利用成熟的工业基础材料（如氧化钙）进行缺陷工程，或许能为降低量子硬件成本、推动规模化应用提供一条务实且具竞争力的新路径。