摘要：开发量子电子设备的关键可能有一些扭结。根据研究人员的说法，对于制造和操作此类设备（包括高级传感器和激光器）所需的精确控制，这并不是一件坏事。研究人员制造了一个开关，以打开和关闭扭结状态的存在，它们是半导体材料边缘的电导途径。...

开发量子电子设备的关键可能有一些扭结。根据宾夕法尼亚州立大学研究人员领导的一支团队，在制造和操作此类设备（包括高级传感器和激光器）所需的确切控制方面，这并不是一件坏事。研究人员制造了一个开关，以打开和关闭扭结状态的存在，它们是半导体材料边缘的电导途径。通过控制扭结状态的形成，研究人员可以调节量子系统中电子的流动。

宾夕法尼亚州立大学物理学教授Jun Zhu说：“我们设想使用扭结状态作为骨干的量子互连网络的建设。”朱还隶属于宾夕法尼亚州立大学的二维分层材料。 “这样的网络可用于在片上携带量子信息，因为它具有阻力，因此无法维持量子相干性，因此经典的铜线无法正常工作。”

这项工作最近出版了科学，有可能为研究人员继续研究扭结状态及其在电子量子光学设备和量子计算机中的应用提供基础。

朱说：“该开关与传统开关不同，在传统开关中，电流通过门调节，与通过收费广场的交通类似。” “在这里，我们正在拆除和重建道路本身。”

扭结状态存在于用一种称为伯纳尔双层石墨烯的材料构建的量子设备中。这包括两层原子薄的碳堆叠在一起，以使一层中的原子与另一层的原子错位。这种布置以及使用电场的使用，创造了异常的电子特性 - 包括量子谷效应。

这种效果是指占据不同“山谷”状态的电子现象（根据其动量相关的能量而识别）也朝着向前和向后的方向移动。扭结状态是量子谷大厅效应的表现。

“我们的设备的惊人之处在于，我们可以使电子在相反的方向上移动，而不是相互碰撞 - 即使它们共享相同的途径，”第一作者Ke Huang说。 “这对应于观察'量化'电阻值的观察，这是扭结状态作为量子电线传输量子信息的潜在应用的关键。”

虽然朱实验室以前已经在扭结状态上发表了，但他们仅在改善了设备的电子清洁度后才能在当前工作中实现量子谷霍尔效应的量化，这意味着它们删除了可以允许电子在相反方向碰撞的电子源。他们通过将干净的石墨/六角硼氮化物堆积为全球栅极或可以允许电子流入设备的机制来做到这一点。

石墨和六角硼硝化物都是通常用作油漆，化妆品等润滑剂的化合物。石墨可以很好地进行电力，而十六边氮化硼是绝缘子。研究人员使用这种组合将电子包含到扭结状态并控制其流动。

Huang说：“将石墨/六角硼氮化物作为全球门的掺入对于消除电子反向散射至关重要。”

研究人员还发现，即使将温度升高到几十千万的科尔文（科学的温度单位），扭结状态的量化仍然存在。零开尔文对应于-460华氏度。

朱说：“量子效应通常是脆弱的，只能在一些开尔文的低温温度下生存。” “我们可以使这项工作的温度越高，它越有可能在应用中使用。”

研究人员通过实验测试了他们构建的开关，发现它可以快速，反复控制当前流动。这增加了基于状态的量子电子小部件的武器库，这些小部件有助于控制和直接电子 - 阀，波导，梁分离器 - 以前由Zhu Lab构建。

朱说：“我们已经开发了一种量子高速公路系统，该系统可以携带电子，而无需碰撞，可以将电流流动并具有可扩展性 - 所有这些都为未来的研究奠定了坚实的基础，以探索该系统的基本科学和应用潜力。” “当然，要实现量子互连系统，我们还有很长的路要走。”

朱指出，她的实验室的下一个目标是证明电子在扭结州高速公路上行驶时的行为如何像连贯的波浪一样。

其他作者包括Hailong Fu，宾夕法尼亚州立大学的前博士后学者和Eberly物理学研究员，以及中国郑安吉大学的现任助理教授。以及日本国家材料科学研究所，沃特那比（Kenji Watanabe）和塔卡西·塔尼格奇（Takashi Taniguchi）。

美国国家科学基金会，美国能源部，宾夕法尼亚州埃伯利研究奖学金，匹兹堡基金会的Kaufman新计划，日本科学促进学会和日本教育，文化，体育，科学和技术部的国际优质国际研究计划为这项研究提供了资金。