量子材料能够重塑高性能计算、安全通信、敏感检测和能源生产等各个领域。然而，一个始终存在的限制使得大多数量子材料无法成为实用技术。迄今为止几乎所有发现的量子材料只有在接近绝对零度的温度下才能工作。在普通温度下，热量导致原子不断振动，这些振动会干扰研究人员想要控制的脆弱量子效应。通常，抑制这种运动需要大型低温制冷系统。因此，量子材料可以在严格控制的实验室中执行显着任务，但在现实世界中的设备中使用起来困难且成本高昂。在室温下工作的量子材料 班戈大学的物理学家现在创造了第一个能够识别和传输不同量子光状态的室温量子材料。该进展发表于《自然》杂志，解决了量子材料研究中的一个重要障碍。研究由物理学副教授奥马尔·S·玛加纳-洛艾萨领导。除了展示一种新材料外，研究人员还建立了一种更广泛的设计策略，可以用来创造全新的量子材料家族。这些材料最终可能支持量子计算机、高度安全的通信系统、高级传感器和新的能源技术。对于曾在中国电子科技大学担任教授的前博士后研究员程龙来说，当不寻常的设计与理论预期完全一致时，感到特别满足。“这个项目最令人兴奋的部分之一是意识到我们可以构建一种自然界没有提供的材料。看到它以我们预测的方式工作是非常有成就感的，”程龙说。 构建人工量子晶体 班戈大学团队选择从头工程化一种所需特性的物质，而不是在自然中寻找现成的物质。研究人员首先在一个玻璃芯片上放置一层薄薄的金，然后使用聚焦离子束在金属上切割出数百个超小的狭缝。每个狭缝在功能上类似于一个人工原子或元原子。 这些元原子共同创造出一种与自然界中发现的任何东西都不同的晶体。完成的结构也比人类的头发还要细。当光线照射到芯片上时，它在金表面上移动并与这些工程化的元原子相互作用。通过精确调节这些结构的大小、形状和间距，研究人员控制了材料如何对光的反应。结果是一种以前在室温下从未实现的光操作。“通过工程化元原子在等离子体超晶体中的分布，我们可以系统地控制哪些量子统计特征可以通过该结构。因此，我们的晶体本质上充当量子状态的统计过滤器，”最近完成其博士学位并加入国家标准与技术研究所（NIST）担任NRC博士后研究员的莱利·B·道金斯说。 玛加纳-洛艾萨在班戈大学的量子光子学小组完成了研究的所有部分，包括初始理论、材料设计、纳米制造和实验测试。然而，这项工作的意义超越了构建一种不寻常的新材料。它的最大价值在于这一超晶体能做什么。 分类不同的光量子状态 光不总是以相同的方式表现。阳光、激光光和荧光光都是由光子组成的。然而，每种光中的光子以不同的方式波动和相互作用。这些微小的变化影响光在量子层面的行为。到目前为止，识别这些差异一般需要复杂的设备、冷却至极低温度的探测器和数以百万计的单独测量。新的超晶体能够自主执行分类过程。它不仅仅对诸如颜色或强度等熟悉的特性做出反应，而是检测到入射光中的微妙量子差异。然后，它通过晶体引导不同的量子状态沿着不同的路线。这些路线还允许某些量子状态在经过材料时统计特征的变化较少。这些统计特征是区分一种量子状态与另一种量子状态的决定性特征。“我们称之为强健传输，”玛加纳-洛艾萨说。“这些量子状态携带信息。我们的晶体可以区分它们并以强大的方式将它们从一个点移动到另一个点，而无需低温冷却。这就是打开实用量子技术大门的关键。”物理学家称这种共享的量子行为为量子相干性。维持相干性是量子信息科学中最困难的问题之一，因为相互作用