量子技术为安全通信、信息技术和高精度传感器的潜在进步开辟了一个全新的世界。这项技术有望为医疗保健、工业和安全领域的一些最紧迫的挑战提供解决方案。离子束可用于开发新量子技术所需的创新材料。“国际原子能机构正全力参与全球量子技术倡议，”国际原子能机构核物理学家阿利兹·西蒙说。“离子束加速器技术为进一步探索和发展量子技术研究提供了新的机会。”
新联系，新发现
自 2017 年以来，国际原子能机构通过协调研究项目(CRP)联合了来自世界各地的专家，以开发用于量子技术的材料。CRP 包括开发新的实验技术和完善理论模型，旨在了解辐射效应和离子相互作用过程。
“利用量子技术，我们可以用来自加速器的离子束在原子水平上操纵材料的结构，从而产生用于量子计算、传感、密码学、成像等的新型材料，离子束是在带电粒子被加速时产生的。”负责该项目的西蒙说。
CRP 将来自澳大利亚、中国、克罗地亚、芬兰、印度、以色列、意大利、日本、新加坡、西班牙和美国的专家联系在一起。“我被 CRP 吸引是因为它承诺与我通常不联系的来自不同国家和不同学科的人建立联系。美国劳伦斯伯克利国家实验室聚变科学和离子束技术负责人托马斯申克尔说：“通过将不同的代表聚集在一起并集中努力，我们能够提出我们无法单独提出的新想法。”
例如，CRP 支持研究人员发现如何使用离子束来创建紧密耦合的量子位 (qubit) 链。量子位是基本信息单元，比传统计算中使用的承载信息的“位”更复杂、更强大。虽然 10 到 50 量子位计算机的原型被用于开发量子软件，但最新发现显示了在 50 微米的长度上形成多达 10,000 个耦合量子位的量子系统的潜力，大约相当于一根头发的宽度。“我们想更多地玩这个，探索效果，然后将量子位链与控制和读出电子设备集成到量子传感应用中，例如探测大脑中神经元的活动或检测罕见的暗物质相互作用事件，”申克尔说. 参与 CRP 的实验室正在开发具有使用离子束形成量子位的量子传感器。这些传感器可以提供高度准确的测量，并将提高日常设备和服务的性能，从医疗诊断和成像到高精度导航。
该研究结果于今年 2 月发表在《应用物理快报》杂志上。迄今为止，CRP 参与者已发表了 55 篇与新材料、建模和新加速器技术相关的科学论文或书籍章节。
为量子的未来赋能
在这个进步和兴趣日益增长的时代，CRP 旨在提高对量子领域新人的理解和参与。5 月，国际原子能机构举办了为期四天的培训讲习班，题为“离子束驱动材料工程：量子技术加速器的新角色”。新加坡国立大学物理学博士生郭子坤说：“我对离子束的了解有限，我想获得一个全球性和系统性的视角。” “我没有考虑过高能量如何适用于离子束研究。这种培训和讨论非常有用，不仅可以将大家聚集在一起，还可以带来不同的想法。” 虚拟培训研讨会聚集了 80 多名参与者，其中一半来自发展中国家。
“这个想法不仅是为了培训和提供知识，也是为了让人们能够进入该领域并从合作者的角度评估他们在基础设施和知识方面的需求，”西蒙说。“我们希望扩大处理量子科学的加速器实验室，我们希望务实吸引新来者。”
她补充说，在国际原子能机构加速器知识门户中列出了世界上 322 个离子束加速器，“因此，促进离子束加速器在量子技术中的应用具有巨大潜力”。
该讲习班还恰逢原子能机构电子学习课程“量子技术材料的离子束工程”的启动。“该课程面向博士生和博士后——那些熟悉离子-物质相互作用、材料科学和加速器科学与技术的人，”西蒙说。本课程概述了用于量子科学的离子束材料工程、相关加速器技术和导致新材料和功能的应用。
“量子技术正在经历转型和快速进步的时期，”申克尔说。“问题是我们将如何使用它;它有可能被用于改善人类和我们文明的进步。”
