史上最全！2023“量子材料”技术路线图

光子盒研究院出品

量子技术正准备将量子物理学的基础原理推向应用的最前沿。

年初，德国萨尔大学、南洋理工大学、东北大学、悉尼大学、新加坡国立大学等联合团队发布了文章《2023年量子技术材料路线图(2023 roadmap for materials for quantum technologies)》，此次的路线图确定了一些关键的挑战，并提供了关于一系列令人兴奋的量子技术前沿的材料创新的见解。

全文收录在英国皇家物理学会的数据库Iop Science中。

01

什么是量子材料？

02

捕获离子技术

03

用于光量子技术的稀土离子

04

用于量子模拟的原子阵列

05

基于供体的硅量子技术

06

用于量子应用的宽带隙材料色心

07

用于量子技术的2D材料

08

用于量子技术的III-V光学有源半导体量子点

09

单光子探测器用超导材料

在过去的几十年里，实现不同量子技术的硬件平台已经达到不同的成熟度。这使得量子优越性得到了首次原则性证明：例如，量子计算机超过了经典计算机、量子通信具有量子力学定律所保证的可靠安全性，以及量子传感器结合了高灵敏度、高空间分辨率和小尺寸的优势。

然而，在所有情况下，将这些技术推进到相关环境中的下一层次的应用，需要进一步的发展和基础材料的创新：这些材料既包括固有的量子比特系统，也包括起支持或促成作用的材料，并涵盖捕获离子、中性原子阵列、稀土离子系统、硅中的供体(donors)、宽带隙材料中的颜色中心和缺陷、二维材料和单光子探测器的超导材料。推进这些材料领域的发展，需要来自不同的科学专业群体的创新，因此，这个路线图将引起广泛的学科兴趣。

21世纪是量子技术的时代，量子物理学的基本原理，如量子态的相干、叠加和纠缠，通常在小到单个缺陷和杂质的设备中被利用，以实现数万亿倍的计算速度——超越了经典的超灵敏传感器、物理安全通信等。

尽管量子力学支配着所有材料的性质，但量子材料与普通材料不同。所有的固体都是由原子团组成的：当原子聚集在一起形成固体时，它们的电子相互作用，这就是量子力学发挥作用的地方。对于大多数材料来说，用最小的量子力学对它们的行为有一个基本的理解是可能的。正如NPQC和加州大学伯克利分校的Joel Moore教授所解释的那样，“有些材料如果没有量子力学，甚至无法粗略地了解它们。”——这些都是量子材料。

量子材料包含具有异常长的相干长度和/或时间的粒子和类似粒子的东西

薛定谔的猫是一个思想实验，由物理学家薛定谔提出，在这个实验中，猫同时是活的和死的。猫既活着，状态为1，又死了，状态为0，这是两种状态的叠加。由于与环境的相互作用，像这样的叠加在大多数材料中不可能永远持续下去，而且通常不会延伸很远的距离。量子材料打破了这一趋势：在量子材料中，这种状态的叠加可以持续很长时间，并在扩展的空间内持续。术语“相干性”是指这种叠加延伸了多长时间和多远，薛定谔的猫在一纳秒或一分钟内是活的还是死的，是整个猫还是猫中的几个原子是活的和/或死的？

“量子材料研究人员并没有真正研究事物是活的还是死的；我们研究粒子和类似粒子的东西的状态，比如电子，以及它们是如何相互作用的。”

在过去的二十年里，量子技术领域经历了戏剧性的发展。大部分进展都是由巧妙的想法、概念和实验演示推动的，从原理验证到第一个工作原型。量子领域为了获得进一步发展，将取决于材料的发展，以提高光学和自旋相干、减少物理性质的不均匀分布，使量子比特与环境相连接，并实现可扩展性。从材料成分和纯度、减少残余缺陷、靶向掺杂和同位素纯化、增强表面清晰度和优化材料边界界面到先进的材料处理技术，如纳米级蚀刻、混合材料集成、与光学和电气行业标准连接器的牢固接口，与控制电子设备集成，并封装到坚固耐用的设备中。

量子材料可以实现许多技术的范式转变。阿贡国家实验室研究员、西北大学教授、Q-MEEN-C的Amanda Petford-Long表示，量子材料有许多我们知道如何控制的性质，但如果我们要实现特定目的的优化，我们需要了解其基本行为。Petford Long说：“发现新的量子材料，并将现有材料的新组合组合在一起，使我们能够操纵自旋和电荷。这可以导致全新类型的设备的设计，而不仅仅是渐进式的改进。可能会实现显著的能源效率改进。”

量子材料是一类很有前途的材料，应该能够实现未来的技术，就像它们能够实现当今的核磁共振成像、生物传感器和磁盘驱动器等技术一样。

随着所有单独的步骤和方法变得已知或准备开发，量子技术在领域和日常应用中的道路将被广泛打开。总的来说，本文的路线图将为多学科研究小组和不同的资助机构提供一个指导方针，说明所需的关键进展、具体需求在哪里，以及如何最好地满足和解决这些需求。

捕获带电原子涵盖了从计量学、量子通信到模拟、量子计算等技术领域。以下捕获离子平台的路线图侧重于量子计算，但也可以很容易地适应原子钟、基于捕获离子的量子网络或具有带电原子的量子模拟器——捕获离子平台在这些量子技术支柱之间有很多共同点。

捕获离子在性能保真度方面历来领先于其他量子技术，具有无与伦比的状态准备和读出错误率。与领先的冷原子阵列或超导芯片相比，捕获离子量子寄存器是中等尺寸的，但具有完全的单独控制和组件之间的全深度硬件连接。再加上与其他平台不相上下的门与相干时间，这导致了资源高效的算法实现和量子体积等整体性能指标均遥遥领先。

在量子信息处理中，使用各种电极设计，离子最常被捕获在线性配置中。陷阱可以分为三维(3D)陷阱（通常基于少数元素）和使用已建立的、微制造制造的许多元素的表面陷阱。3D陷阱设计技术成熟，可以稳定地存储50–100个离子的线性阵列，而高保真度、单独控制限制在50个以下；另一方面，表面陷阱（其中包括CCD）是一种新技术，它是在将平台扩展到更大的量子比特数量时出于技术考虑而出现的。3D陷阱中的2D离子结构主要用于量子模拟，其中数百个具有全局控制的离子已被很好地建立。

通过移动到微结构平面离子阱，使用光子互连扩展单个处理器，来扩大捕获离子平台的愿景。具有长相干时间和光学操作能力的捕获离子系统自然适合作为网络物质节点，并正在与光子链路积极集成，用于量子通信和分布式计算架构。

捕获离子技术的主要挑战有三个方面：

1）首先，克服目前门方案在内在保真度低、所需时间方面的局限性，并在系统规模扩大时保持控制。

2）其次，陷阱体系结构中的信息密度需要增加。捕获离子作为一种结构是原子数有限的。人们普遍认为，单个势阱中的线性链不能显著延伸超过数百个量子比特；与超过这一点的连接线性陷阱相比，分段和CCD陷阱允许更高的量子比特密度，但会遭受所谓的异常加热，这通常是主要的误差源。

第二项工作是从实现量子比特转移到更高维的信息，或编码在单个原子中的量子比特。类似地，omg架构允许在单个原子中编码几个量子比特，并允许同一个原子扮演不同的角色，例如存储器、信息处理器等。利用玻色子模式（如离子运动）作为信息载体是另一条超越数量限制的途径。

3）第三，主要的障碍之一是如何随着寄存器大小的增长而提供可伸缩的控制。解决串扰问题已经成为当代量子计算机的一个瓶颈。对于一些离子物种，由于短波辐射引起的日光化（光漂白），光学组件的集成变得复杂。在相关模式下保持低温是一个越来越紧迫的问题。

虽然激光冷却可以获得近乎完美的基态占用，但这通常依赖于随着寄存器的增长，在必要的时间或实现工作上难以扩展的技术。单个处理器最终不太可能为大规模计算提供足够的量子比特。

随着粒子数量的增长，对真空质量的要求越来越高，只有通过从室温设置转移到低温环境才能满足。集成波导和导体解决方案可以帮助解决这些新的挑战。电波导和光波导的可扩展分布需要考虑可用空间和所需的低场噪声环境，因此可能需要先进的切换和多路复用能力。

随着通过有源或耗散元件的热负荷和通向低温恒温器外部的更高线路密度的增加，对更高冷却功率的需求也在增加。与此同时，这些发展需要认识到He-3/He-4的可用性，面对不断增长的需求，其全球和本地供应可能会被证明是一个关键的限制，而不仅仅是一个财政负担。

在表面捕集器结构中，也可能需要低温来对抗加热。尽管人们对其了解甚少，但有证据表明这种加热源于电极表面：材料科学和表面处理技术需要进步，以显著降低其规模。同时，这些材料需要适合与非电信波长集成，并允许高转换速率和大电弧电压，以实现更快的离子传输操作。同时，微波驱动门在不同频率下有相同的要求，这进一步限制了材料的性质。

鉴于目前基于离子阱的量子计算中的大多数量子比特都是由激光器操纵的，更可靠的工业级激光器面临着日益增长的需求，包括在不干预的情况下稳定它们数月而非数天的设备的可用性。

高度集成的陷阱将具有许多不同的材料和它们之间的界面，其中许多将是介电的。目前还不知道由这些结构引起的加热将如何受到材料选择和环境温度的影响。为了保持一致性，需要很好地控制靠近离子的微结构集成电路的电容和电感串扰。

总之，捕获离子量子技术在大规模部署的道路上面临许多重要挑战。大型量子机器运行在自然相同的成分上，这些成分很容易在分布式计算或通信中实现光子互连，这是这一技术路线的有力动力。增加平台之间的协同效应，将使整个量子技术社区受益。

含有稀土离子(Rare-earth ions)的晶体在光谱学领域有着丰富的历史，可以追溯到19世纪中期。随着净化技术、激光技术和材料科学的进步，从研究这些系统的迷人力学到开发光学技术已经有了自然的发展。特别是，对经典信息技术的追求产生了物理模型和光谱技术，为应用这些材料解决量子科学中的挑战奠定了坚实的基础。

稀土离子的主要吸引力，从单个离子一直到化学计量晶体中的大团簇，都是它们的多个相干自由度。最突出的是在液体He温度下极窄的4f–4f光学跃迁均匀线宽，在Er3+:Y2SiO5单晶中窄至73 Hz（或相干寿命T2=4.4 ms）。这种低加宽是可能的，因为4f电子被封闭的外电子壳层屏蔽而不受晶格扰动。

此外，稀土离子还可以具有高度相干的电子或核自旋自由度，这些自由度可以被光学控制。在适当的温度和磁场下，这些自旋可以显示出高达数十毫秒的相干寿命T2，对于Er3+：Y2SiO5的核自旋，相干寿命可达6小时。

这些独特的性质使人们认识到稀土晶体非常适合量子存储和处理器技术。稀土离子技术是一种领先的量子存储平台，它展示了利用自旋自由度、高检索效率、多模存储、量子存储纠缠和光物质隐形传态的长存储时间。量子存储器和量子比特处理节点的结合可以使量子信息通过光量子中继器链路远距离分布。

量子网络的赋能技术。（a）量子信息网络的复杂性将继续增长，最终使量子态能够分布在小规模局域网（蓝色圆圈）中的众多节点（白色圆圈）之间以及更长的距离上。为了实现稳健和可扩展的量子网络，每个网络节点都需要包含一套量子技术：基本设备包括纠缠源、用于网络同步和中继站的量子存储器、用作在不同物理状态（如微波和光学）下运行的量子技术的适配器的转换器和转换器，以及处理信息和执行纠错操作的量子计算机。（b）稀土离子晶体是实现对量子网络操作至关重要的各种器件的领先材料系统之一。它们的部分吸引力在于其高度相干的4f–4f光学跃迁和自旋跃迁。在图中，分别为光学跃迁、核自旋跃迁和电子自旋跃迁提供了寿命（T1、T1n和T1e）和相干寿命（T2、T2n和T2e）的指示范围。对材料局限性的更深入理解以及材料合成和制造方面取得了突破，将加速将当前工作转化为大型复杂网络中的可部署技术。

稀土离子平台的另一个优势是它的多功能性。例如，不同稀土离子中的4f–4f光学跃迁覆盖了从红外到紫外的宽光谱范围，包括在Er中发现的1.55µm的重要电信波长。这些离子可以在合成过程中或通过注入引入到各种绝缘晶体、玻璃和半导体中。这些组合不仅可以用作本体材料，还可以用作微或纳米结构材料，如纳米颗粒或薄膜。

1）第一个重要的研究课题是识别和生长改进的大块晶体。

例如，许多目前使用的晶体由于存在大量的核自旋而限制了量子器件的性能。在钇基基质中，如Y2SiO5，89Y具有100%丰度的1/2核自旋，这种自旋浴引起的磁噪声最终会限制相干寿命，尤其是电子自旋。这个问题在YVO4或LiNbO3等含有大磁矩核自旋的宿主中更为严重。此外，名义上未掺杂的Y基晶体含有百万分之0.01–1的不可避免的稀土离子杂质，这对单离子量子比特器件不利。一些核自旋浓度大幅降低且稀土背景杂质超低的晶体显示出良好的性质，例如掺Er3+的CaWO4、Si或TiO2。然而，这些材料不具有尺寸和电荷与三价稀土离子匹配良好的替代位点，这可能导致额外的缺陷和应变，进而导致潜在的退相干源。

2）将稀土离子与光子或微波谐振器集成是另一个重要的材料挑战。这种耦合在用于高效率和高保真度操作的系综和单离子器件中是必不可少的。

技术开发的多种途径。稀土离子晶体平台在系综和单离子领域都具有使能量子信息科学设备的多功能性。需要在许多不同的体系结构中不断取得进展，以充分利用其多个高度一致的自由度。（a）大块晶体和陶瓷为大容量长期量子存储提供了机会。这张图片显示了一个14毫米长的晶体，用于高效的光量子存储器。（b）混合架构将高性能光子层与大块稀土离子材料和器件相结合。该图像是非晶硅光栅耦合器和波导的扫描电子显微镜图像（假彩色），在片上电极(Au)之间具有光子晶体镜（蓝色）。（c）薄膜生长极大地增加了这种材料系统中的大规模制造可能性，并可能允许通过传统的体相晶体生长实现新的结构。该图像显示了在稀土（RE3+）掺杂的Y2O3薄膜顶部图案化的支撑超导微波器件的晶片。（d）纳米晶体代表了稀土离子材料系统的终极小型化，并提供了替代器件实现方式，以及对最终控制器件性能的退相干机制的新见解。

有效优化材料的一个基本要求是能够将结构信息与相关性质联系起来。综合研究涉及一系列材料和技术，如XRD、电子显微镜、化学分析、电子顺磁共振、缺陷发光及其与稀土光谱的相关性，可能会对这些不同的结果产生深入的理解。根据这一理解，可以从适用于大块和纳米级材料的广泛技术开始设计材料的优化合成、后处理。

一项更为困难的研究是单离子光谱学，目前需要特定材料的纳米制造技术。开发易于操作、高通量的实验技术，如开放式光学微腔或与超导探测器集成的样品，可以解决纳米材料和薄到微米薄膜的大块样品的这一问题。

稀土集成到光子结构中的混合方法可以通过几种方式得到改进：

1）应首先改善纳米级材料的相干性质；

2）其次，适用于近红外或可见光区域稀土波长的高质量光波导和谐振器将能够利用硅兼容Er3+电信波长之外的新稀土跃迁；

3）另一种潜在广泛应用的技术是激光写入光子结构，它似乎只在很小程度上影响稀土的相干性。

晶体主体中的稀土离子是光量子技术的有前途的系统，显示出光学和自旋跃迁，其中一些相干寿命在固态中是最长的。通过利用系综和单离子体系，进一步将这些优异的性质用于集成量子光子结构，需要在材料工程方面进行重大改进。

在这方面，寻找新的材料平台，如稀土分子晶体、或通过原子尺度的精确现场工程，可以极大地拓宽可能系统的范围。

被单独捕获在光镊阵列中的超冷原子已迅速成为多体物理量子模拟的强大平台，这是对先进材料进行基本理解的基础。这些原子阵列提供了对内部自旋态和外部运动量子态的可扩展单量子比特控制。它们也可以在一维、二维或三维的任意几何结构中产生，具有可编程掺杂、可调相互作用。

这些可扩展性和可编程性的组合特征使它们对模拟量子模拟非常有吸引力，在模拟量子模拟中，原子阵列的设置遵循用于建模材料的相同哈密顿量。为了产生原子阵列，首先将原子随机加载到光学陷阱阵列中。这些光学陷阱是通过将捕获激光发送通过空间光调制器或声光偏转器形成的，然后使用高数值孔径显微镜物镜聚焦到原子上。

声光偏转器(AOD)产生多个光束偏转，这些光束偏转通过显微镜物镜作为镊子阵列压印在原子平面上，显微镜物镜同时在电子倍增CCD(EMCCD)相机上收集原子荧光。从EMCCD到AOD的实时反馈生成无缺陷原子阵列。

为了将无缺陷阵列映射到给定的模型哈密顿量上，需要在单个捕获的原子之间诱导可调谐的相互作用。将原子激发到里德堡态（主量子数~60–80）已成为在原子阵列中诱导可调谐相互作用的一种自然途径，因为对于几微米的典型镊子间距，里德堡相互作用V/h可以保持在1–10MHz的范围内。

这种强烈的里德伯相互作用可以通过以下方式之一诱导：

1）相干驱动基态|g〉和里德堡态|r〉之间的原子阵列，激光共振到单个原子的基态–里德堡跃迁频率；

2）使用受激拉曼绝热通道将原子转移到里德堡态，随后在两个里德堡态|r1〉，|r2〉之间驱动原子。

阵列尺寸通常受到镊子激光功率的限制，而镊子激光功率又与加载和成像原子所需的最小陷阱深度、所选镊子波长下的原子极化率以及高功率激光器的可用性等因素的组合有关。同时，随着阵列尺寸的增加，原子的高保真度重排以生成无缺陷阵列变得更加困难：这是因为较大的阵列往往需要较长的重新配置时间，但由于与背景气体的碰撞，原子的陷阱寿命有限，这会导致重排结束时无缺陷目标阵列的概率呈指数衰减。

除了可扩展性之外，对原子阵列平台建立更高程度的控制将有助于推动量子模拟实验的前沿。其中包括更好的相互作用可编程性、更高保真度的量子态制备和读出，以及改进的自旋相干性。其中一些挑战可以通过使用不同的原子种类来解决，而其他挑战可以通过技术改进来缓解。

为了扩大原子阵列的规模，人们已经努力通过倍频光纤放大激光器来构建传统镊子波长的高功率激光器；一种互补的方法是减少装载原子所需的陷阱深度。

对于高保真度生成大型无缺陷阵列，可以将原子阵列放置在超高真空兼容低温恒温器中，以提高原子寿命。这种低温设置可以与并行重排算法和上述方法相结合，以提高装载概率，从而减少重排时间。低温还将抑制黑体辐射诱导的跃迁，这可能导致更长的里德堡寿命和里德堡修整相干时间。

除了通常用于原子阵列实验的碱原子外，碱土原子最近还因其增强的相干性和高保真度的状态制备和读出方法而受到关注。多个原子物种也可以组合在一个装置中，以探索诱导可编程相互作用的替代方法。

最后，原子的镊子阵列可以与由SiO2和Si3N4制成的纳米光子芯片对接，以增强原子-光子耦合和单原子控制。原子阵列是模拟量子模拟多体哈密顿的领先平台之一，是先进材料的简化模型。可扩展性、控制性和可编程性的进一步提高不仅将推动量子模拟的前沿，而且将使原子阵列在量子信息处理方面具有高度竞争力。

60多年来，硅一直是现代半导体行业的基石，自1998年Kane提出开创性建议以来，硅也已成为量子技术的一个有前途的平台。由于半导体器件物理和工程方面取得了令人印象深刻的进展，在过去的二十年里，量子处理器原型得到了关键的演示，包括基于“供体(donor)”体系结构的原型。

基于Si:P供体的量子处理器。（a）最初的Kane提案基于一系列P供体。电子（棕色箭头）和核自旋（蓝色箭头）分别是量子比特交换耦合。（b）、（c）A门和J门下面的电子波函数分别控制超精细和J门。（d）交换相互作用可以通过嵌入不对称的1P–2P供体分子来进一步控制，以及（e）通过应用失谐电场来调节。（f）、（h）通过单离子注入制造的基于供体的双量子比特器件的顶栅堆叠的SEM图像和横截面（g）、（i）通过STM光刻沉积P原子的双量子比特器件的STM显微照片和横截面。

利用硅作为量子技术的主体材料的主要动机植根于电子（或核）自旋与晶体主体的弱相互作用。由此产生的超长自旋寿命(T1)和相干时间(T2)为硅赢得了“半导体真空”的绰号——这是一种冷原子或超高真空环境中捕获离子系统的凝聚态类似物。

P(31P)体供体团簇的电子自旋共振(ESR)和核磁共振(NMR)实验可以追溯到20世纪60年代，在低温下，甚至在natSi中，电子和核自旋寿命(T1)分别为~1和~10h。最近对28Si中供体系综的测量得出了电子自旋的相干时间T2=10s。如果供体处于中性状态，则已测量到细胞核的动态解耦(DD)相干时间高达T2DD=3分钟，如果供体处于电离状态，则测量到甚至180分钟。

在基于供体的量子计算中，最大的挑战是扩展到可观数量的量子比特。为了进一步简化基于STM的制造工艺，提高制造精度、效率和再现性，可能需要包括机器学习和人工智能算法在内的工艺自动化。

到目前为止，只有离子注入方法将量子比特嵌入同位素富集的28Si中，这是通过表面层的高通量28Si离子注入来实现的。目前也在努力使用STM辅助方法在超高真空(UHV)中实现28Si的外延生长。然而，即使在28Si中，与体系综相比，纳米电子器件中的电子和核自旋相干时间仍然显著更短（三个数量级）。

与体系综相比，在纳米电子器件中(T≈100 mK)的供体量子比特中测量的自旋寿命(T1)和相干时间(T2)的总结。

为了克服可扩展性限制，目前正在探索长程量子比特耦合方案，如电偶极相互作用（下图(a) - (c)）。通过将供体波函数偏置到电离点附近，从而导致电子和正供体核之间的电荷分离，可以形成电偶极子（下图7(b)）。或者，将单个供体与供体分子相结合，在两者之间产生有限的超精细相互作用（下图(a)），然后可以通过时间相关电场进行调制，以诱导电子和核自旋的电偶极自旋共振。通过将自旋量子位耦合到微波谐振器（下图(c)），量子比特的耦合可以进一步扩展到介观甚至宏观距离（~1µm–1cm），这可能为包括自旋量子比特数和超导量子比特在内的混合量子技术开辟了道路（下图的(d)）。表面代码可以在由电极的3D网络控制的2D量子比特阵列内实现（下图(e)）。

远程量子比特耦合方案

基于31P量子比特的硅量子器件是一种快速成熟的量子技术，前景广阔，应该能够以可扩展的方式利用电子和核自旋的超长寿命。到目前为止，两种已建立的制造技术，即离子注入和STM辅助光刻，已经实现了高保真度的快速一、二和三量子比特逻辑门的令人印象深刻的演示。

然而，由于在低噪声量子位环境中需要精确控制、高效和可重复的掺杂剂放置，扩展到几个量子比特并最终实现大规模量子处理器仍然是一个挑战——如果被证明是可行的，Si:P量子比特与微波谐振器的进一步耦合可能会为混合量子技术带来令人兴奋的前景。

自首次报道金刚石中的单个带负电荷的氮空位(NV−)色心以来，人们对半导体材料中的色心进行了深入研究。在过去的二十年里，他们的家族成员已经从金刚石NV−中心发展到金刚石中的IV族分裂空位中心、碳化硅(SiC)中的Si空位(VSi−)和二空位(VV0)中心、Si中的G中心以及六方氮化硼(hBN)中新出现的VB−中心。

金刚石、碳化硅和立方氮化硼色心的光学和自旋性质

由于各种实验表征方法和密度泛函理论(DFT)计算，这些缺陷中的大多数具有众所周知的分子构型和清晰的能量结构。这些缺陷具有独特的自旋、光学和电荷性质，以及它们的主体材料和纳米制造提供的附加功能。利用这些性质已经实现了量子传感、量子计算和量子通信。

在实际应用中，金刚石发射器和SiC发射器的共同问题是由于全内反射导致的低光子提取效率。这种缺陷限制了纠缠率和纠缠分布距离，以及量子传感器的灵敏度。目前放宽这一限制的解决方案是将色心集成到纳米结构主体中，例如纳米束腔。然而，这些纳米结构通常会对色心的光学性质产生不利影响。

目前的色心平台还不够完善，还很难预测一个平台最终是否能为所有应用程序提供解决方案，或者不同的缺陷是否最适合特定的任务。色心主体的类别正在从3D材料扩展到2D材料，并从宽带隙主体扩展到窄带隙主体。新的色心发现预计也将在基于数据挖掘的预测的帮助下加速。

随着金刚石和SiC色心研究经验的增加，通过材料工程、丰富的量子控制工具和成熟的纳米制造技术的共同努力，现有平台的光学和自旋性质都得到了改善。这种对当前平台利弊的深刻理解反过来有利于为特定应用设计量子缺陷。除此之外，人们还可以设想出具有色心的声子量子网络。

金刚石NV−自旋传感器在量子传感和量子通信方面取得了许多成功，主要是基于其长自旋相干性。研究基于单个NV和集成NV传感器的量子传感，包括材料工程和哈密顿工程，以获得更高的灵敏度和更好的光谱分辨率，将有利于它们在基础研究和单细胞/分子检测中的应用。

2D材料具有原子厚度小、可修复缺陷和界面、对外部刺激敏感等特点，具有广泛的材料性质，可作为一系列新兴量子技术的功能器件组件，包括量子计算、量子通信和量子传感。

二维材料已经展示了各种新的功能，并被应用于集成量子器件（如原子薄量子发光二极管(LED)、量子受限斯塔克效应调制器和片上量子光子器件）。

2D材料在新兴量子技术中的应用，包括量子计算、量子通信和量子传感

在量子比特设计策略中，包括量子点、缺陷自旋、超导结和拓扑量子比特，包括石墨烯、h-BN和过渡金属二硫属化物(TMDs)在内的二维材料已被探索作为主体材料。

尽管该领域潜力巨大，但仍处于早期阶段，量子技术中2D材料的充分开发正面临着挑战，需要科学和技术的进步。展望未来，2D材料生长和表征方面取得了前所未有的进展，这将应对为量子技术部署2D材料的重大挑战。

二维材料在发展新兴量子技术方面具有固有优势，包括量子计算、量子通信和量子传感。二维材料中一系列不同量子现象的出现为开发集成量子技术提供了巨大的潜力。此外，2D材料的异质结构提供了一个新的量子设计平台，其功能在单个材料中是不可用的。尽管在2D材料合成和表征方面取得了重大进展，但2D量子技术远未成熟，仍存在重大挑战。随着该领域科学技术的快速发展，用于量子技术的2D材料的未来是光明的。

半导体量子点是单光子和纠缠光子的来源。它们将半导体制造技术的优势与单原子或离子的优势结合在一起。

半导体量子点在外延生长中形成零维物体，通过内置应变或通过空穴蚀刻和填充形成。它们的小尺度加上维度，导致了离散的能级，这些能级可以被单电子、空穴或激子占据，它们是由束缚电子-空穴对组成的准粒子。电荷络合物的跃迁能由限制电势给出，即量子点的尺寸及其材料组成。通过改变所使用的III族或V族材料，可以改变势垒以及QD电势，从而在宽光谱范围内实现发射波长的灵活性。

在量子计算中使用量子点中的光子的一种方法是通过与局部自旋的相互作用产生光子的簇态。

用于量子点的不同材料系统的波长覆盖范围（量子点层/包层）。值得注意的是，对于GaAs/AlGaAs系统，由于应变缺失，QD生长是通过液滴外延(droplet epitaxy, DE)实现的。为了使InAs/GaAs系统实现远高于1300nm的波长，需要InGaAs变质缓冲器。

量子点技术发展也面临着以下挑战：

1）量子点一直面临的一个挑战是它们的随机增长。它们在尺寸和空间分布上随机生长，这需要生长后选择性能良好的量子点。为了获得更高的器件产量，可以将额外的调谐旋钮，如电场、磁场或机械应变集成到器件中，这使得它们的制造更具挑战性。

2）此外，III/V半导体的高折射率迫使人们使用纳米光子波导或谐振器，以免受到不良提取效率的影响。谐振器的设计经常与额外需要的调谐旋钮相矛盾，这使得光子器件的设计具有挑战性。

3）另一个挑战是不均匀线加宽，这使得连续发射的光子部分可区分。这种加宽通常来自于与波动环境的相互作用，而波动环境主要是由电荷噪声引起的。

最近的工作表明，量子点可以生长成直接在电信C波段(1530–1565 nm)或O波段(1260–1360 nm)发射，这使它们成为量子通信的优秀候选者，然而，这些新材料在生长方面带来了自身的挑战，必须研究和理解其所有性质：包括光子和自旋性质。

量子点由于其高光子产生率和易于集成到纳米光子谐振器中，是产生复杂高度纠缠态的有前途的候选者。此外，随着自旋相干时间的未来发展，它们为本地存储器提供了一种替代方案——其中源和存储器可以在同一设备中。

量子信息处理在当今的研究和开发环境中变得格外突出，超导材料在相关器件技术中发挥着决定性作用。不同领域的巨大进步依赖于我们在介观和纳米尺度上对超导结构的知识的不断进步，包括它们与从微波到光学频率的电磁辐射的相互作用。

从2001年首次演示到目前为止，超导纳米线单光子探测器(SNSPD)领域的关键发展时间表。此外，还展示了在电信波长(1550nm)和定时分辨率/抖动下的性能参数系统检测效率(SDE)的进步，以及用于探测器制造的超导材料。

未来的创新将在很大程度上取决于专门优化的超导材料的可用性，这些材料要么通过精炼广泛使用的磁控溅射工艺(magnetron sputtering processes)获得、要么通过建立替代生长技术获得。

此外，未来的进步可能是与使用替代超导材料系统相关的创新的结果。这方面的一个显著例子是MgB2，它表现出高于30 K的高临界温度和低动态电感（与NbN相比低30-60倍）。通过混合物理-化学气相沉积获得了高质量的MgB2薄膜（厚度5 nm），并且获得了仅具有130 ps弛豫时间的SNSPD，使此类器件非常适合在高光子计数率下操作。

其他研究工作致力于开发具有铜酸盐高温超导体的SNSPD器件，由于其高于液体N沸点的高临界温度，该器件特别有吸引力。

从解决技术难题（如材料不稳定性、图案化工艺patterning processes）到揭示单光子探测的物理机制和操作条件，未来仍将面临重大挑战。然而，最近对YBa2Cu3O7–x纳米线的研究结果，证明了单光子诱导的热点形成和相滑移控制，为未来成功实现具有优异时序分辨率的器件提供了巨大的希望。

在纳米尺度上理解和控制超导材料财产的进展在实现SNSPD器件的卓越性能及其迅速商业化方面发挥了关键作用。

为了指导未来的发展，至关重要的是确定相关超导材料的结构-性能关系，将（多）晶体/非晶结构、化学成分和缺陷密度等参数与传输特性和SNSPD性能相关联。

从材料科学的角度研究所使用的材料和设备，不仅将加深我们对基本操作原理的理解，还将推动技术进步，包括用于生物和天文成像的大型探测器阵列，以及提供接近条纹相机能力的时间分辨率的单光子光谱。这将使我们有机会将成功的探测器概念与有前景的材料系统相协调，特别是针对实现SNSPD设备，这些设备同时结合了所有相关品质因数的接近理想的性能指标。

参考链接：

[1]https://www.nature.com/articles/nphys3668

[2]https://www.energyfrontier.us/content/what-are-quantum-materials

[3]https://iopscience.iop.org/article/10.1088/2633-4356/aca3f2