开发量子电子器件的关键可能存在一些问题。据宾夕法尼亚州立大学研究人员领导的团队称，这对于制造和操作此类设备(包括先进的传感器和激光器)所需的精确控制来说并不是一件坏事。
研究人员制作了一个开关来打开和关闭扭结态，扭结态是半导体材料边缘的导电通路。通过控制扭结态的形成，研究人员可以调节量子系统中电子的流动。
“我们设想以扭结态为骨干构建一个量子互连网络，”团队负责人、宾夕法尼亚州立大学物理学教授朱军说道。朱军也是宾夕法尼亚州立大学二维层状材料研究中心的成员。
“这种网络可用于长距离传输片上量子信息，而传统的铜线无法实现这一点，因为它有电阻，因此无法保持量子相干性。”
该研究发表在《科学》杂志上，可能为研究人员继续研究扭结态及其在电子量子光学设备和量子计算机中的应用奠定基础。
“这种开关的工作原理与传统开关不同，传统开关通过门来调节电流，类似于通过收费站的交通，”朱说。“在这里，我们正在拆除和重建道路本身。”
扭结态存在于一种由伯纳尔双层石墨烯材料制成的量子装置中。这种材料由两层原子厚度的碳组成，碳层以这样一种方式堆叠在一起，即一层中的原子与另一层中的原子错位。这种排列方式与电场的使用相结合，产生了不同寻常的电子特性，包括量子谷霍尔效应。
这种效应指的是电子占据不同“谷”态(根据其能量与动量的关系确定)的现象，这些电子也朝相反的方向向前和向后移动。扭结态是量子谷霍尔效应的表现。
“我们的设备的神奇之处在于，我们可以使沿相反方向移动的电子不会互相碰撞(这称为背向散射)，即使它们共享相同的路径，”第一作者 Ke Huang 说道，他是宾夕法尼亚州立大学在朱的指导下攻读物理学博士学位的研究生。
“这对应于对‘量化’电阻值的观察，这是扭结态作为量子线传输量子信息的潜在应用的关键。”
尽管朱实验室之前已经发表过关于扭结态的研究，但他们在当前工作中只是在提高了器件的电子清洁度之后才实现了量子谷霍尔效应的量化，这意味着他们移除了可能允许朝相反方向移动的电子发生碰撞的源。