突破量子運算瓶頸！物理學家研發黃金鍍膜技術獲美國專利

量子電腦能在數秒內解決傳統超級電腦需耗時數千年的複雜問題，這項特性讓它在藥物開發、機器學習、基因定序和氣候模型等資料密集型應用領域極具發展潛力。

然而，量子運算的發展長期受到一項技術難題阻礙：作為量子運算載體的超導金屬表面與介面存在缺陷。這些不完美會產生幹擾和不穩定性，破壞維持低錯誤率量子運算所需的精細量子態。

加州大學河濱分校物理系副教授彭偉（音譯）已開發出解決方案，他申請的美國專利提出一項創新技術：在鈮金屬超導體表面鍍上超薄黃金層來提升量子電腦效能。

研究團隊透過僅約10個原子厚度的黃金鍍層，既能填平鈮金屬表面破壞量子行為的缺陷，又能保留量子運算不可或缺的超導特性。彭偉表示：「在關鍵介面使用黃金，讓我們能維持更乾淨的訊號路徑，減少超導電路中的能量損耗。」

與傳統半導體研究聚焦材料內部特性不同，彭偉團隊特別關注最外層原子結構——在量子系統中，即便是微米級的不規則都可能被放大。量子電腦不像傳統電腦使用0與1的位元儲存資訊，而是採用能同時存在多種狀態的量子位元（qubit），這種特性源自「量子疊加」現象。在鈮等超導體中，量子位元由稱為「庫柏對」的量子相干電子對承載。

彭偉解釋：「超導體表面永遠不可能完美，這些缺陷會成為破壞庫柏對的微小陷阱，影響量子位元效能。」這將導致量子退相干現象——量子位元喪失其量子相干狀態，這仍是阻礙量子電腦擴大規模和穩定運作的主要難題。即使在超低溫、極度隔離的實驗環境中，材料缺陷或環境雜訊仍可能讓多餘能量滲入量子系統，使運算結果失效。

彭偉研發的黃金鍍膜技術就像量子防護罩，黃金在大多數條件下不會氧化或產生化學反應。當形成均勻原子層時，它能創造出平滑穩定的表面，抵抗會引發雜訊的汙染。由於鍍層極薄，既不會影響底層鈮的超導性，又能讓庫柏對在黃金層中以低損耗方式流動。

「這個平衡點至關重要，」彭偉強調：「鍍層太厚會破壞超導性，太薄則無法克服缺陷影響，我們找到了最佳厚度。」這項鍍金技術與現有製造工藝相容，對急於開發商用量子處理器的企業極具吸引力。團隊採用「外延」工藝，實質上是在鈮表面生長出晶體結構的黃金層。

彭偉指出：「量子處理器需要更好的超導材料和一致性，這項技術能讓系統更穩定、更具重現性，最終實現更大規模應用。」這項創新已引起美國國家標準技術研究院（NIST）科學家的關注，用於開發高Q值超導諧振器；麻省理工學院（MIT）和SEEQC公司也與彭偉合作，近期在《自然電子》期刊發表關於高效超導二極體和整流器的研究成果。

彭偉團隊現正著手改進異質結構製程，測試與其他超導材料的相容性，並開發更精良的量子感測器。這項研究獲得美國國家科學基金會CAREER獎助，加州大學河濱分校技術合作辦公室（OTP）正協助彭偉進行技術商業化，包括提交美國專利申請、提供智財權與授權支援，並協助籌備新創公司成立事宜。

「這只是個開始，」彭偉充滿信心地表示。

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