近日，美國能源部(DOE)阿貢國家實驗室宣布由其領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊，基于固態(tài)氖開發(fā)出一個新型量子比特平臺。

新型量子比特平臺：來自頂部加熱燈絲的電子落到固態(tài)氖（紅色塊）上，單個電子（藍(lán)色表示為波函數(shù)）被底部超導(dǎo)量子電路芯片捕獲和操控，圖片來自阿貢國家實驗室

目前，世界各國科學(xué)家都在競相開發(fā)量子計算機(jī)。作為量子計算的運算單位，量子比特可以表示0和1兩個狀態(tài)的疊加。未來，量子計算機(jī)可以解決任何經(jīng)典超級計算機(jī)無法解決的特定復(fù)雜問題。

此次，由阿貢國家實驗室領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊，與FAMU-FSU工程學(xué)院（佛羅里達(dá)農(nóng)工大學(xué)和佛羅里達(dá)州立大學(xué)的聯(lián)合工程學(xué)院）機(jī)械工程副教授Wei Guo團(tuán)隊合作，建造了一個新的量子比特平臺，展示出開發(fā)量子計算機(jī)的潛力。相關(guān)成果近日發(fā)表在《自然》(Nature)。

圖片來自《自然》(Nature)

前述研究的參與者還包括來自芝加哥大學(xué)、圣路易斯華盛頓大學(xué)、勞倫斯伯克利國家實驗室(LBNL)和麻省理工學(xué)院的科學(xué)家。

“通過這項研究，我們認(rèn)為取得了一項重要突破，將在制造量子比特方面獲得長足發(fā)展，幫助實現(xiàn)這項技術(shù)的潛力。”論文共同作者Wei Guo說道。

前述團(tuán)隊通過在極低溫度下將氖氣凍結(jié)成固體，把燈泡中加熱燈絲的電子噴射到固體上，并捕獲單個電子，以制造新型量子比特。當(dāng)氖冷卻到大約零下248.6攝氏度，壓力超過0.42個大氣壓時，會凍結(jié)成固體。

實驗相關(guān)器件，圖片來自論文

雖然量子比特的類型有很多種，團(tuán)隊卻選擇了最簡單的一種，即單個電子。加熱日常所見的燈泡中一根簡單的燈絲，就可以很容易地發(fā)射出無限的電子。

量子比特的一個重要特性是它能夠長時間同時保持0或1的狀態(tài)，并被稱為“相干時間”。但相干時間是有限的，這一限制由量子比特與環(huán)境相互作用的方式所決定。量子比特系統(tǒng)中存在的缺陷會極大降低相干時間。

出于前述原因，團(tuán)隊選擇在真空中將電子捕獲在超純固態(tài)氖表面。氖是目前僅有的六種惰性元素之一，這意味著它不會與其他元素發(fā)生反應(yīng)。

以往研究使用液態(tài)氦作為保存電子的介質(zhì)。盡管液態(tài)氦很容易制造，但固態(tài)氖是一種幾乎沒有缺陷、不會像液氦一樣振動的材料。振動很容易擾亂電子態(tài)，從而影響量子比特性能。

“由于這種惰性，固態(tài)氖可以作為真空中最純凈的固體，以承載和保護(hù)任何量子比特不受干擾。”阿貢國家實驗室科學(xué)家，項目首席研究員Dafei Jin表示。

通過使用一個芯片級的超導(dǎo)諧振器，微芯片中的電極可以將被困在固氖上的電子保持在原位兩個多月。團(tuán)隊借助超導(dǎo)微波諧振器發(fā)射的微波，操控被捕獲的電子，使其能夠讀取和存儲來自量子比特的信息，從而應(yīng)用到未來的量子計算機(jī)。

超導(dǎo)微波諧振器(金色)可以利用微波(淡藍(lán)光束)幫助控制一個孤立的電子(橙色波函數(shù))，該電子被困在一塊固態(tài)氖(綠色)上，圖片來自阿貢國家實驗室

在建立前述量子比特平臺后，團(tuán)隊使用微波光子對捕獲的電子進(jìn)行量子比特實時操作，并描述了其量子特性。實驗測試表明，固態(tài)氖為電子提供了一個穩(wěn)定環(huán)境，具有非常低的電子噪聲干擾。同時，該量子比特在量子態(tài)下的相干時間，相較其它量子比特更具有競爭力。

“基于這一平臺，我們首次實現(xiàn)了近真空環(huán)境中的單個電子和諧振器中的單個微波光子之間的強(qiáng)耦合，”阿貢國家實驗室博士后、論文第一作者Xianjing Zhou表示，“這為利用微波光子控制每個電子量子比特，并在量子處理器中連接多個量子比特開拓了可能性。”

科學(xué)家認(rèn)為，實用的量子比特需要具備三個關(guān)鍵品質(zhì)：一，可以表現(xiàn)出長時間的一致性，即在很長一段時間內(nèi)保持疊加狀態(tài)，理想情況下超過一秒；二，可以快速地從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一種狀態(tài)，以幫助快速執(zhí)行操作，理想情況下約為十億分之一秒；三，通過一種被稱為糾纏的量子力學(xué)現(xiàn)象，可以按比例拓展，與許多其它量子比特連接，以實現(xiàn)并行工作。

前述實驗表明，在優(yōu)化后，新型量子比特可以保持220納秒的疊加態(tài)，改變狀態(tài)僅需幾納秒（1納秒為十億分之一秒），性能優(yōu)于此前研究了20年的基于電荷的量子比特。

研究人員認(rèn)為，通過開發(fā)基于電子自旋而非電荷的量子比特，更可能開發(fā)出相干時間超過1秒的量子比特。同時，此次裝置相對簡單，更易于低成本制造。

目前，研究人員尚不清楚新系統(tǒng)的擴(kuò)展性如何。“這仍然是所有量子比特平臺共有的問題，”Dafei Jin說，“在短期內(nèi)要實現(xiàn)數(shù)百個量子比特并不容易。”

未來，團(tuán)隊還計劃將基于電子自旋和基于電荷的兩種量子比特糾纏在一起，以實現(xiàn)在同一芯片上制造幾十個量子比特的目標(biāo)。