阿贡国家实验室开发了一种新型量子比特

光子盒研究院出品

量子比特或量子比特依赖于量子物理学的奇异性质，这表明电子、原子和宇宙其他粒子可以以一种称为“叠加”的状态存在，它们基本同时在两个相反的方向上旋转，或者同时存在于两个或更多地方。通过将许多量子比特置于叠加态，量子计算机理论上可以同时执行令人难以置信的计算数量。

如今，亚马逊、谷歌、IBM和许多其他公司正在竞相从各种量子比特平台创建实用的量子计算机，例如超导电路、捕获离子和硅内的自旋。然而，所有量子比特在外部干扰下都非常脆弱。

美国能源部（DOE）阿贡国家实验室领导的研究团队与FAMU-FSU工程学院（佛罗里达A&M大学和佛罗里达州立大学的联合工程学院）机械工程副教授Wei Guo合作，创建一个新的量子比特平台，该平台显示出开发成未来量子计算机的巨大希望。相关工作成果以《固体氖上的单电子作为固态量子比特平台》为题，发表在《自然》杂志上[1]。

FAMU-FSU工程学院机械工程副教授：Wei Guo

“量子计算机可能是一种革命性的工具，用于执行经典计算机几乎不可能的计算，但要使它们成为现实，仍有工作要做，”论文合著者Wei Guo说，“通过这项研究，我们取得了一个突破：在制造有助于实现这项技术潜力的量子比特方面有很长的路要走。”

该团队通过将氖气在非常低的温度下冻结成固体，然后来自加热光丝的电子落在固氖上然后向这里发射电子，通过捕获单个电子来创建量子比特。

一个新的量子比特平台：来自加热光丝（顶部）的电子落在固体氖（红色块）上，其中单个电子（在蓝色中表示为波函数）被超导量子电路（底部图案化芯片）捕获和操纵。

量子比特的一个重要品质是它们能够长时间同时保持0或1状态，称为“相干时间”。这个时间是有限的，并由量子比特与其环境相互作用的方式决定限制。量子比特系统中的缺陷会显著缩短相干时间。

出于这个原因，研究团队选择在真空中将电子捕获在超纯固氖表面上。氖是仅有的六种惰性元素之一，这意味着它不会与其他元素发生反应；当冷却到大约零下248.6摄氏度以下时，氖会冻结成固体，并施加超过0.42个大气压的压力。

“固氖可以作为真空中最干净的固体，以容纳和保护任何量子比特免受破坏。”阿贡科学家、该项目的首席研究员Dafei Jin说。

研究人员为他们的设计选择了最简单的量子比特之一——单电子，通过使用芯片级超导谐振器，团队能够操纵被困的电子，允许它们从量子比特读取和存储信息，从而使其可用于未来的量子计算机。

超导微波谐振器（金色）可以使用微波（淡蓝光束）来帮助控制被困在固氖（绿色块）上的单个孤立电子（橙色波）。

在构建了固氖平台之后，团队使用微波光子对被捕获的电子进行了实时量子比特操作，并表征了其量子特性。这些测试表明，固氖为电子提供了一个强大的环境，并具有非常低的电噪声来干扰它。最重要的是，量子比特在量子态中达到了与其他最先进的量子比特竞争的相干时间。

研究共同作者、圣路易斯华盛顿大学量子物理学家Kater Murch说，“当把电子带到固氖表面附近时，氖原子中的电子会稍微重新排列并被电子排斥，因为就像电荷排斥一样，但是因为氖是中性的，电子的这种轻微排斥会留下一个稍微正的电荷，将电子吸引到表面；然而，这个电子不能穿透氖的表面，因为氖的所有电子的能级都被填满了。相反，这个电子被排斥在实际接触表面。”微芯片中的电极可以将被困在固氖上的电子保持在原位两个多月。芯片上的超导微波谐振器，会发射微波集中量子比特和微波信号之间的相互作用，帮助控制和读取量子比特。

基于固氖的量子比特

“有了这个平台，我们有史以来第一次实现了近真空环境中的单个电子与谐振器中的单个微波光子之间的强耦合，”阿贡博士后、论文的第一作者Xianjing Zhou说，“这开辟了使用微波光子控制每个电子量子比特并在量子处理器中链接其中许多电子的可能性。”

该团队的实验表明，在优化中，新的量子比特已经可以在叠加状态下停留220纳秒，并且仅在几纳秒内改变状态，这种量子比特的性能优于科学家已经研究了20年的基于电荷的量子比特。“我们将继续改进一致性时间。而且由于这个量子比特平台的运行速度非常快，只有几纳秒，因此将其扩展到许多纠缠量子比特的承诺意义重大。”芝加哥大学物理学教授、论文高级合著者David Schuster表示。

首席研究员Dafei Jin表示，通过开发基于电子自旋而不是其电荷的量子比特，他们可以开发相干时间超过1秒的量子比特。新的量子比特平台的简单性也适合简单、低成本的制造。

参考链接：

[1]https://www.nature.com/articles/s41586-022-04539-x

[2]https://news.fsu.edu/news/science-technology/2022/05/04/building-a-better-quantum-bit-new-qubit-breakthrough-could-transform-quantum-computing/

[3]https://spectrum.ieee.org/neon-qubit

[4]https://www.anl.gov/article/the-quest-for-an-ideal-quantum-bit