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纳米科技是一种以纳米尺度为基础的技术，涵盖纳米制造、控制和应用纳米尺度材料、器件和系统的研究和开发纳米科技是当今最具发展潜力的领域之一，在计算机、通信、医疗、农业、能源等领域有着广泛的应用在纳米尺度上，原子、电子等基本粒子和光的量子效应将会非常显著，对纳米技术的发展有着重要的影响。

鉴于此，来自韩国首尔基础科学研究所的Andreas J. Heinrich教授和澳大利亚新南威尔士大学大学的Andrea Morello教授共同领导的国际研究团队在Nature Nanotechnology

上以Quantum-coherent nanoscience为题发表综述文章，详细介绍了纳米尺度系统中量子相干的基本原理和实际应用，综述了量子相干纳米科学这一极具前景的研究领域文章根据在给定纳米尺度系统中可以量子相干控制的特定自由度（如电荷、自旋、机械运动和光子），回顾了当前纳米科学的研究水平，并展望了纳米科学和相干量子操作的融合所带来的突出挑战和机遇。

图1量子点中两个电荷量子位的超快相干控制图源：Nat. Nanotechnol. 16, 1318–1329.量子相干是一种量子现象，是指两个或多个量子系统之间存在相互关联，并且会相互影响的现象量子相干是量子力学的一个基本概念，是量子力学中与量子纠缠相关的现象。

量子相干可以在量子力学的散射理论、量子力学的位置和动量相干、量子力学的粒子相干等方面得到表现在实际应用中，量子相干也可以用来描述光的干涉、激光器的工作原理等现象量子相干的研究对于人类的技术进步有着重要的意义。

例如，量子相干技术在量子计算机、量子通信、量子传感器等领域中都有广泛应用，并且取得了巨大的成功在本综述中，研究人员总结了纳米科学的最新发展，讨论了利用纳米尺度的量子相干现象来实现新的功能研究人员把这一领域称为量子相干纳米科学。

它代表了基于固态或分子纳米系统的量子计算、量子模拟、量子通信和量子传感等新兴量子技术的核心在量子相干纳米科学中，人们寻求基于量子态的基本特性，如叠加、纠缠和量子相干等等量子相干纳米科学是包含凝聚态物理、材料科学和分子化学领域的一门学科，处于纳米科学和量子科学的交叉点。

文章分析了如何设计这种量子特性，以使得量子相干特性在纳米级的工程材料和器件中保持稳定文章指出，探索纳米尺度有三大理由首先，从过去七十年经典信息技术的发展中人们可以发现器件小型化的重要价值建立在纳米科学基础上的量子技术有潜力使组件密度接近半导体器件所达到的非凡规模，从而促成了现代信息技术的发展。

其次，当可用的量子激发被限制或操纵在纳米尺度时，会出现一系列新颖的物理现象例如，限制在半导体中几十纳米级区域内的电子发现其动能量子化为kB × 10 K（其中kB是玻尔兹曼常数），提供了设计具有定制特性的量子点的可能性。

在高介电材料中，具有类似长度尺度特征的结构（光子晶体）可用于定制、引导和定位电磁激励由特定材料制成的纳米级物体也表现出频率在GHz范围的声学模式，从而允许控制单个机械运动量子第三，如果要利用这些激发的量子特性，就必须控制它们与环境以及彼此之间的相互作用，这在许多系统中导致了纳米范围内的相关长度尺度。

例如，由纳米尺度势垒分隔开的相邻量子点之间的电子隧穿足以实现和操纵电荷态的相干叠加结合泡利不相容原理，电子在原子之间的类似隧穿在表面或材料内具有少量晶格间距分隔，或者通过分子中的化学键，就可以产生有效的交换或偶极磁相互作用，从而在自旋之间产生纠缠。

本综述详细分析了在纳米尺度上设计和控制结构的能力如何实现量子相干功能文章通过对量子点中的电荷、绝缘体和半导体中的缺陷、表面原子和磁性分子有关的电子和核的自旋、纳米结构发射和检测的光子、纳米机械振荡器，以及涉及不同自由度之间相干耦合的混合量子系统的介绍，阐明了量子相干对于量子技术和纳米科学的重要价值，展望了量子相干纳米科学的未来发展前景。

图2光刻制备的纳米结构中两个自旋量子位的量子相干操作图源：Nat. Nanotechnol. 16, 1318–1329 (2021).硅晶体管技术推动了过去50年的信息处理技术革命多年来，由于器件尺寸的不断减小，目前硅基芯片已经达到了纳米科学领域（。

<100纳米）目前最先进的芯片已经实现了5nm的芯片制程，在这些长度尺度上，受限电子开始表现出量子效应晶体管的量子效应是指在晶体管的电子结构和电学特性中表现出的量子现象晶体管的量子效应是由于其较小的尺寸和较高的电子浓度所导致的，它会使晶体管的电子行为发生变化。

例如，在较小的晶体管中，电子会受到更强的相互作用，会产生更多的量子现象；在较大的晶体管中，电子相互作用较弱，量子现象就会减少晶体管的量子效应对晶体管的电子结构和电学特性有很大的影响，因此在设计和制造晶体管时都要考虑量子效应的影响。

尽管当今处理器中的晶体管经过精心设计，可适当规避量子效应，并作为经典逻辑元件运行，但纳米级电子器件的商业化为基本量子机械电子器件创造了未来全新的机会因为晶体管的量子效应也为量子计算机的发展提供了可能，量子计算机的工作原理就是利用量子现象来实现计算的。

要实现具有量子效应的晶体管制造，其制造方法可以分成两类：自上而下和自下而上在自上而下的方法中，量子相干器件是使用为半导体和超导体纳米电子工业开发的纳米制造工具生产的，其特征尺寸接近10 nm这也是用于门量子点、离子注入掺杂剂和超导电路的典型方法。

自上而下的制造方法允许量子相干器件与经典纳米电子学自然集成，用于控制量子位和读出量子状态，并进行可扩展的规模制造要实现越来越多的量子比特可能需要脱离二维、平面结构，并将互连移动到三维立体构型中随着器件变得越来越复杂，制造尺度越来越小，这种方法的主要挑战是保持材料的均匀性和量子相干。

在自下而上的方法中，量子相干器件建立在原子、分子或点缺陷的固有量子特性之上在这种原子尺度上，自上而下制造的工具可能无效，因为它们太粗糙因此，自下而上制造寻求设计组件和交互，以便纳米器件通过定向自组装来构建自身。

图3纳米尺度量子光子学图源：Nat. Nanotechnol. 16, 1318–1329 (2021).我们现在正处于第二次量子革命的历史时期目前，全球科学家和工程师正在努力利用量子技术和量子计算机等先进技术来解决一些极具挑战的科学和技术问题。

第二次量子革命的前景非常广阔，它有可能带来诸如量子通信、量子计算、量子传感器、量子生物学等领域的重大突破目前，世界各国都在加紧研发量子技术，并在量子科学和技术领域建立了多个国家级或地区性研究中心在这样的时代背景下，这篇综述分析了在不同自由度下出现的相干量子现象，如电荷、自旋、电磁辐射和机械运动等，详细阐述了在纳米尺度上控制物质和波在增加量子化能量、相互作用强度和相干时间方面的应用价值，并指出这种能力将解锁一系列新颖的量子效应。

文章预测，在未来的几年和几十年里，量子相干纳米科学将在传感和计量应用、安全通信、量子模拟和通用量子计算方面产生重大影响参考文献：Heinrich, A.J., Oliver, W.D., Vandersypen, L.M.K. et al. Quantum-coherent nanoscience. Nat. Nanotechnol. 16, 1318–1329 (2021).。

https://doi.org/10.1038/s41565-021-00994-1上海昂维科技有限公司现提供二维材料单晶和薄膜等耗材，器件和光刻掩膜版定制等微纳加工服务，以及各种测试分析，欢迎各位老师

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