全球首款室温量子材料问世

量子材料有望彻底革新各类技术，涵盖高性能计算机、高安全通信乃至先进能源系统，但该领域长期存在一大核心瓶颈。目前已知几乎所有量子材料，仅在冷却至接近绝对零度的低温环境下，才能展现出独特量子特性；室温环境中，原子持续热振动会彻底掩盖科研人员想要利用的精细量子行为。想要抑制这类原子振动，必须配备体积庞大的低温制冷设备，这使得量子材料仅能在实验室发挥作用，难以落地实用化产品。

《自然》刊发一项研究，路易斯安那州立大学（LSU）物理系团队研发出全球首款可区分、传输不同光量子态的室温量子材料，攻克了量子材料领域一大核心难题。该研究由物理系副教授Omar S.Magaña-Loaiza牵头，提出一套通用设计准则，可人工打造全新品类量子材料，为量子计算、保密通信、传感技术与先进能源系统开辟全新发展路径。

电子科技大学教授Chenglong You曾是该团队博士后，他表示，实验最令人振奋的时刻，就是这套非常规设计方案完全契合理论预测。“本项目最激动人心的一点在于，我们人工造出了自然界不存在的新型功能材料。看到实验结果与理论预判分毫不差，收获感十足。”

从零设计全新量子材料

该团队没有去寻找天然具备理想量子特性的材料，而是自主设计、人工制备全新量子材料。制备流程如下：研究人员在玻璃芯片上沉积一层金薄膜，借助聚焦离子束在金膜上刻蚀数百条微米级狭缝，每一条狭缝都相当于一颗人造原子（超原子）。大量超原子有序排布，形成自然界不存在的人工晶体，整体厚度甚至小于人类发丝直径。

光线射入芯片后，会沿金膜表面传播并与超原子发生相互作用。团队精准调控超原子的尺寸、外形与排布间距，让材料实现室温下前所未有的光场调控能力。

“通过调控等离激元超构晶体内超原子的分布，我们能够精准限定哪些量子统计态可以穿透材料结构。简单来说，这款晶体相当于量子态的统计筛选器。”刚完成博士学业、即将以NRC博士后研究员身份入职美国国家标准与技术研究院（NIST）的Riley B.Dawkins介绍道。

从最初理论构思到最终实验验证，整套研究全流程——理论推导、材料设计、纳米加工、实验测试，均由LSUOmarS.Magaña-Loaiza教授的量子光子学课题组独立完成。这项突破的价值远不止研发出一款新材料，更在于它所能实现的各类全新应用。

区分不同量子态

不同光源的光子行为存在显著差异。太阳光、激光、荧光均由光子构成，但光子的涨落、相互作用模式各不相同。这类细微差别决定了光在量子层面的行为，以往想要识别区分，必须借助精密仪器、低温探测器，完成数百万次测量。

而该团队研发的超构晶体可自动完成量子态区分：它不只是对光的波长、强度产生响应，还能识别入射光细微的量子差异，并将不同量子态引导至晶体内部不同传输通路。更关键的是，这些传输通道能够保证量子态在传播过程中，自身统计特征（定义量子态的独有属性）几乎不发生改变。

“我们将这种稳定传输特性称为稳健输运。”Omar S.Magaña-Loaiza表示，“量子态承载信息，我们的晶体无需低温制冷，就能精准区分各类量子态并稳定完成信号传输，这为实用化量子技术铺平了道路。”

物理学中将这种集体效应称作量子相干，维持量子相干是量子信息科学的核心难题之一。在本次《自然》论文中，研究人员证实，这款超构晶体是首款天然对多体系统量子相干敏感的室温量子材料。

全新品类量子材料诞生

该成果与现有材料体系存在本质区别，研究团队为此创造了全新命名：量子统计等离激元超构晶体。

“对我而言，这不仅仅是一项科研项目，更是围绕‘创造量子领域全新材料’这一目标开展的集体攻关。”课题组研究生Jannatul Ferdous说道，“最让人兴奋的是，我们不仅造出了全新室温量子材料，还建立了配套理论体系，用以理解、调控材料特性。从理论构想落地为可复现实验，极具成就感。”

研究人员还发现，这款超构晶体会自发形成量子统计能带，原理类似于半导体中决定导电特性的电子能带结构。通过调整超原子排布方式，科研人员可自主设定：哪些量子态能够无畸变穿透材料，哪些量子态在传输过程中统计特性会发生改变。以往科研只能依托天然材料实现特定量子功能，如今可主动设计材料，精准操控量子态传输路径。

换言之，本研究为未来各类新型量子材料提供了完整设计范式，而非仅局限于这一款晶体。

应用前景：从量子计算机到清洁能源

该材料可在室温稳定工作，应用场景早已突破基础物理研究范畴。未来量子计算机可采用同类材料传输脆弱量子信息，摆脱笨重低温制冷设备；相同原理还能打造更易落地的量子通信网络、超高灵敏度传感器以及其他前沿量子技术。

光信号低损耗传输的特性，同样可赋能可再生能源产业。现有太阳能电池中，部分入射光会被材料捕获并转化为热能而非电能，大幅降低光电转换效率。这款超构晶体能够优化光传输通路，减少光能损耗，提升光电转化量。这也是Omar S.Magaña-Loaiza团队下一阶段的研究重点。团队下一步计划将超构晶体集成至太阳能电池，验证其能否提升太阳光到电能的转化效率。若实验成功，将证明基础量子物理领域的重大发现，可直接推动下一代太阳能技术迭代升级。