量子科技新突破：磁性材料開啟量子資訊處理新紀元

科學家們最近發現了一種利用特殊材料——硫化溴鉻（chromium sulfide bromide）來控制量子資訊的新方法。這種材料不僅能夠以多種形式儲存和處理資料，其獨特的磁性特性更是帶來了革命性的突破。透過調整其磁化狀態，研究人員能夠將攜帶資訊的量子粒子——激子（excitons）——限制在特定範圍內，從而延長量子態的持續時間，並開闢了新的資料處理方式。

這項由德國雷根斯堡大學和密西根大學的研究團隊共同發表的成果，揭示了一種全新的量子奇蹟材料，可能實現磁性切換。這一發現有望推動量子計算、感測技術及其他相關領域的重大進展。過去的研究已經發現，激子有時會被限制在硫化溴鉻材料中的單一線條內，而新研究則從理論和實驗兩方面證實了這種限制與材料的磁性特性密切相關。

硫化溴鉻之所以在量子研究中備受矚目，是因為它能夠透過多種方式編碼資訊：包括電荷、光子（光）、磁性（電子自旋）以及聲子（振動）。密西根大學電氣與計算機工程教授Mackillo Kira表示：「長遠來看，我們或許可以建造出利用這三種甚至四種特性的量子機器或裝置：光子用於傳輸資訊，電子透過相互作用處理資訊，磁性用於儲存資訊，而聲子則用於調製和轉換資訊到新的頻率。」

其中一種編碼量子資訊的方式是透過激子。當半導體中的電子從基態被激發到更高能態時，會留下一個空穴，電子與空穴配對形成激子。硫化溴鉻的獨特磁性特性將激子限制在單一原子層內。這種材料由僅幾原子厚的層狀結構組成，類似於分子薄餅。在低於132開爾文（-222華氏度）的低溫下，這些層會被磁化，電子自旋彼此對齊，形成反鐵磁結構。

當溫度高於132開爾文時，材料不再磁化，熱量使得電子自旋無法保持對齊，隨機指向不同方向。在非磁化狀態下，激子不再被限制，而是擴充套件到多個原子層，形成三維結構，並能夠向任何方向移動。然而，當反鐵磁結構將激子限制在單一原子層時，激子進一步被限制在單一線條內，因為它們只能沿著平面中的一條軸線移動。這種限制有助於量子資訊的永續性，因為激子碰撞並丟失資訊的可能性大大降低。

德國雷根斯堡大學物理教授Rupert Huber表示：「磁性順序是塑造激子及其相互作用的新調節旋鈕。這可能會成為未來電子與資訊技術的遊戲規則改變者。」實驗團隊透過向硫化溴鉻樣品發射僅20飛秒長的紅外光脈衝來產生激子，隨後使用能量較低的紅外鐳射將激子推入稍高的能態。他們發現，激子存在兩種能量差異顯著的變體，而這種能量狀態的分裂被稱為精細結構。

研究團隊還透過沿著材料內的兩條不同軸線發射低能量脈衝，探索了激子的空間變化。這種方法揭示了高度方向依賴的激子，它們可以被限制在單一線條內，或在三維空間中擴充套件。這些配置可以根據磁性狀態進行調整，並透過外部磁場或溫度變化進行切換。密西根大學電氣與計算機工程研究員Matthias Florian指出：「由於電子、光子和自旋自由度緊密交織，磁化與非磁化狀態之間的切換可能成為將光子和自旋量子資訊轉換的極快速方式。」

理論團隊透過量子多體計算解釋了這些結果，預測了磁性有序材料中異常大的精細結構分裂，並確認了激子從一維到三維的轉變如何顯著影響其碰撞頻率。研究團隊計劃進一步探索這些激子是否能夠轉換為電子自旋的磁激發，這將為光子、激子和自旋之間的量子資訊轉換提供一條有用的途徑。

這項研究得到了德國研究基金會、美國國家科學基金會、空軍科學研究辦公室以及密西根大學高階研究計算資源的支援。此外，捷克布拉格化學技術大學和德國德累斯頓工業大學的研究人員也為這項研究做出了貢獻。