量子技術為安全通信、信息技術和高精度傳感器的潛在進步開辟了一個全新的世界。這項技術有望為醫療保健、工業和安全領域的一些最緊迫的挑戰提供解決方案。離子束可用于開發新量子技術所需的創新材料。“國際原子能機構正全力參與全球量子技術倡議，”國際原子能機構核物理學家阿利茲·西蒙說。“離子束加速器技術為進一步探索和發展量子技術研究提供了新的機會。”
新聯系，新發現
自 2017 年以來，國際原子能機構通過協調研究項目(CRP)聯合了來自世界各地的專家，以開發用于量子技術的材料。CRP 包括開發新的實驗技術和完善理論模型，旨在了解輻射效應和離子相互作用過程。
“利用量子技術，我們可以用來自加速器的離子束在原子水平上操縱材料的結構，從而產生用于量子計算、傳感、密碼學、成像等的新型材料，離子束是在帶電粒子被加速時產生的。”負責該項目的西蒙說。
CRP 將來自澳大利亞、中國、克羅地亞、芬蘭、印度、以色列、意大利、日本、新加坡、西班牙和美國的專家聯系在一起。“我被 CRP 吸引是因為它承諾與我通常不聯系的來自不同國家和不同學科的人建立聯系。美國勞倫斯伯克利國家實驗室聚變科學和離子束技術負責人托馬斯申克爾說：“通過將不同的代表聚集在一起并集中努力，我們能夠提出我們無法單獨提出的新想法。”
例如，CRP 支持研究人員發現如何使用離子束來創建緊密耦合的量子位 (qubit) 鏈。量子位是基本信息單元，比傳統計算中使用的承載信息的“位”更復雜、更強大。雖然 10 到 50 量子位計算機的原型被用于開發量子軟件，但最新發現顯示了在 50 微米的長度上形成多達 10,000 個耦合量子位的量子系統的潛力，大約相當于一根頭發的寬度。“我們想更多地玩這個，探索效果，然后將量子位鏈與控制和讀出電子設備集成到量子傳感應用中，例如探測大腦中神經元的活動或檢測罕見的暗物質相互作用事件，”申克爾說. 參與 CRP 的實驗室正在開發具有使用離子束形成量子位的量子傳感器。這些傳感器可以提供高度準確的測量，并將提高日常設備和服務的性能，從醫療診斷和成像到高精度導航。
該研究結果于今年 2 月發表在《應用物理快報》雜志上。迄今為止，CRP 參與者已發表了 55 篇與新材料、建模和新加速器技術相關的科學論文或書籍章節。
為量子的未來賦能
在這個進步和興趣日益增長的時代，CRP 旨在提高對量子領域新人的理解和參與。5 月，國際原子能機構舉辦了為期四天的培訓講習班，題為“離子束驅動材料工程：量子技術加速器的新角色”。新加坡國立大學物理學博士生郭子坤說：“我對離子束的了解有限，我想獲得一個全球性和系統性的視角。” “我沒有考慮過高能量如何適用于離子束研究。這種培訓和討論非常有用，不僅可以將大家聚集在一起，還可以帶來不同的想法。” 虛擬培訓研討會聚集了 80 多名參與者，其中一半來自發展中國家。
“這個想法不僅是為了培訓和提供知識，也是為了讓人們能夠進入該領域并從合作者的角度評估他們在基礎設施和知識方面的需求，”西蒙說。“我們希望擴大處理量子科學的加速器實驗室，我們希望務實吸引新來者。”
她補充說，在國際原子能機構加速器知識門戶中列出了世界上 322 個離子束加速器，“因此，促進離子束加速器在量子技術中的應用具有巨大潛力”。
該講習班還恰逢原子能機構電子學習課程“量子技術材料的離子束工程”的啟動。“該課程面向博士生和博士后——那些熟悉離子-物質相互作用、材料科學和加速器科學與技術的人，”西蒙說。本課程概述了用于量子科學的離子束材料工程、相關加速器技術和導致新材料和功能的應用。
“量子技術正在經歷轉型和快速進步的時期，”申克爾說。“問題是我們將如何使用它;它有可能被用于改善人類和我們文明的進步。”
