該研究將推動量子通信、密碼學、傳感和計算等技術在更高溫度下的運行。

美國高校和巴黎高校的研究人員通過國際合作，發現了在更高溫度下實現超導或超熒光等奇異量子態的機制和必要條件。該成果將助力建造未來無需超低溫即可運行的量子計算機。

人類對更新更先進技術的渴求已進入量子領域，科學家們正在探索超越原子結構的材料可能性。量子計算和傳感是利用量子特性實現難以想象目標的主要范例。量子計算機可以解決連最快的超級計算機也要幾十年才能完成的問題。然而，這些設備只能在極低的溫度下運行，這種條件在實驗室外幾乎無法復制用于商業應用。因此，開發能在相對較高溫度下工作的材料至關重要。

為什么奇異的量子態需要超低溫？當材料表現出集體行為時，如魚群游動或螢火蟲同步閃光，但這是在量子水平上，就能實現超導或超流體等量子態。研究人員稱之為宏觀量子相變，即量子粒子群形成一個宏觀相干系統，然后像一個巨大的量子粒子一樣表現出超熒光或超導等奇異量子態。但這只能在超低溫下實現，因為高溫下的能量會產生"噪聲"，破壞材料的同步性，從而阻止量子相變。

美國北卡羅萊納州立大學物理學教授凱南·貢多杜及其合作者此前發現，混合鈣鈦礦材料的原子結構可以保護量子粒子免受熱噪聲影響的時間足夠長，從而發生量子相變。在這些材料中，極化子（與電子結合的原子團）形成，并將發光偶極子與熱干擾隔離。這導致了超熒光等奇異量子態。然而，這種隔離機制仍然未知。

現在，貢多杜及其同事與美國多所主要大學和巴黎綜合理工學院的研究人員合作，利用激光激發極化子內部的這些電子，并發現了一個更大的團，稱為孤子。貢多杜在新聞稿中解釋說："把原子晶格想象成一塊拉伸在兩點之間的精細布料。如果你在布料上放置代表激子的實心球，每個球都會在局部使布料變形。要獲得像超熒光這樣的奇異狀態，你需要所有的激子或球形成一個相干基團，并作為一個單元與晶格相互作用，但熱噪聲在高溫下阻止了這一點。"球及其局部變形共同形成極化子。孤子是晶格中極化子的有序形成，可抑制熱擾動。新聞稿補充說，孤子的形成要求材料中受激極化子的密度必須很高。這一假設在杜克大學和巴黎綜合理工學院的實驗結果中得到了進一步證實。

貢多杜補充說："這項工作提出了一個定量理論，并用實驗結果加以支持。超導等宏觀量子效應是我們正在追求的所有量子技術（量子通信、密碼學、傳感和計算）的關鍵，而這些技術目前都受到低溫需求的限制。但現在既然我們理解了這一理論，我們就有了設計新型量子材料的指導方針，這種材料可以在高溫下工作，這是一個巨大的進步。"

該研究成果發表在《自然》雜志上。

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