新材料技术可以使量子计算机变得更快，更通用，而且更便宜

量子科学将帮助研究人员更好地了解自然世界，并利用量子现象造福社会。它们将改变医疗保健、交通和通信，并增强抵御网络威胁和气候灾难的能力。例如，量子磁场传感器将实现功能性脑成像;量子光通信将允许加密通信;量子计算机将促进下一代光伏和药物材料的发现。

目前，这些技术依赖于昂贵且复杂的材料，并且通常需要昂贵且笨重的低温冷却才能运行。这些设备依赖于液氦等贵重商品，随着全球供应的减少，液氦变得越来越昂贵。2023年将看到量子材料创新的革命，这将改变量子技术。除了降低环境要求外，这些材料还将允许室温操作和节能，以及低成本和简单的加工要求。为了优化其量子特性，研究实验室可以操纵化学结构和分子堆积。好消息是，物理学家和工程师一直在忙碌，2023年将看到这些材料从科学实验室转移到现实世界。

最近，英国工程和物理科学研究委员会宣布了一项由伦敦帝国理工学院和曼彻斯特大学领导的量子技术材料创新愿景。伦敦纳米技术中心由帝国理工学院、国王学院和伦敦大学学院的数百名研究人员合作，在量子系统的模拟和表征方面拥有丰富的专业知识。英国的测量之家——国家物理实验室——刚刚开设了量子计量研究所，这是一个耗资数百万英镑的设施，致力于量子技术的表征、验证和商业化。研究人员和行业共同努力，将开创制药、密码学和网络安全的新时代。

量子比特是量子计算机的构建块，依赖于具有量子特性的材料，如电子自旋，可以操纵。一旦我们能够利用这些特性，我们就可以使用光和磁场来控制它们，从而产生量子现象，例如纠缠和叠加。超导量子比特是目前最先进的量子比特技术，包括约瑟夫森结，在超低温（-273ºC）下作为超导体（可以在零电阻下导电的材料）运行。苛刻的温度和高频工作要求意味着，即使是这些超导量子比特的最基本方面（电介质）也很难设计。目前，量子比特包括氮化硅和氧化硅等材料，它们具有如此多的缺陷，以至于量子比特本身必须具有毫米大小才能存储电场能量，相邻量子比特之间的串扰会引入相当大的噪声。使用这些材料，获得实用量子计算机所需的数百万个量子比特是不可能的。

2023年，量子技术材料设计将出现更多创新。在迄今为止考虑的许多令人敬畏的候选者中（例如，具有氮空位缺陷的钻石，范德华/ 2D材料和高温超导体），我对分子材料的使用感到最兴奋。这些材料是围绕碳基有机半导体设计的，碳基有机半导体是用于可扩展制造消费电子产品的一类既定材料（彻底改变了价值数十亿美元的OLED显示器行业）。我们可以使用化学来控制它们的光学和电子特性，围绕它们发展的基础设施依赖于既定的专业知识。

例如，手性分子材料 - 作为一对不可叠加的镜像存在的分子 - 将彻底改变量子技术。这些用途广泛的分子的薄而单手的层可用于在室温下控制电子的自旋。同时，金属酞菁的自旋相干时间长以及良好的热稳定性和化学稳定性将使它们被用来携带量子信息。

虽然 2023 年无疑将看到更多关于量子计算机运行速度的头条新闻，但材料科学家将研究、发现和设计下一代低成本、高效率和可持续的量子技术。