北京
这一工艺有朝一日可帮助科学家打造更稳健、抗噪的量子计算机。
北京大学的研究人员开发出一种更优的方法，用于制造一种特殊的石墨烯基量子材料。如果能够进一步放大和优化，这一发现将为未来量子计算机的实用化铺平道路。
根据他们的研究，该团队找到了一种可靠制备菱方石墨烯的方法，其纯度和尺寸均达到了前所未有的水平。团队解释说，这种形式的石墨烯极为珍贵，因为它能在保持稳定的同时承载奇异的量子态。
通常情况下，石墨烯由交替错位堆叠的片层组成，其中ABCABC堆叠（也称菱方堆叠）被认为是最佳方式。在这种排列中，各片层在重复之前朝同一方向错位，这虽好但稀少且不稳定，因为们一旦自由放置，就会倾向于退化为更稳定的ABAB堆叠。
在菱方片层中，电子的行为会发生根本性改变。据该团队介绍，此类电子间的相互作用异常强烈，并能形成集体量子态，包括超导态和“量子霍尔相”。
巧用堆叠，助力量子计算
这使它们有望成为“拓扑”量子比特，以系统的整体状态而非单个脆弱的局域粒子来编码信息。这能让量子比特从本质上更好地抵御噪声，而噪声正是量子计算面临的核心障碍之一。
在该团队取得突破之前，研究人员基本上只能用胶带从石墨上撕出薄片，然后逐一搜寻，直至找到具有正确堆叠方式的薄片。据报道，能符合要求的不到1%。这对于个别的物理实验完全够用，但作为一种制造方法显然并不理想。
该研究的共同作者张智斌解释说：“基本上就是用胶带撕出薄片，然后在显微镜下寻找那不到百分之一的、恰好具有正确堆叠方式的稀有样品。”
而新的制备方法则能够通过受控工艺“生长”出ABC堆叠的片层。为实现这一点，他们采用了一个带有微型台阶的氧化铝表面来引导堆叠。在此基础上，加入铜镍合金，它同时充当催化剂和生长模板。
接着，利用高温使碳组装成石墨烯，最后一步则“迫使”后续层在ABC序列中保持错位。结果令人印象深刻。
“我们生产的样品纯度超过99%，最大尺寸为160微米乘80微米，厚度可达120纳米，”研究负责人刘开辉说。“我们可以根据需要，将层数从几十层调节到几百层。”刘开辉补充道。
刘开辉解释说，这种材料“为研究量子现象提供了一个绝佳平台，并且与类似材料相比，它储量丰富且易于加工”。
“我们无法预测这种材料能走多远，但材料制备是进一步研究的基础。如果未来出现应用场景，我们将准备好打造下一代量子器件。”他补充说。
“二维材料已经在声学薄膜和光刻机的导热部件中有了成熟应用。”他补充道。
“在芯片领域，虽然我们尚未看到大规模替代硅或碳化硅，但已有越来越多的研究致力于将二维材料集成到最关键的部位——比如AI芯片中能耗最高的部分，或是存储芯片中密度最高的区域——以发挥其独特优势。”他说。
展望未来，该团队计划将较小的菱方石墨烯片拼接起来，以生产出更大、可直接用于器件的片材。
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