基于固态氖，科學家開發出新型量子比特平台

近日，美國能源部(DOE)阿貢國家實驗室宣布由其上司的團隊，基于固态氖開發出一個新型量子比特平台。

新型量子比特平台：來自頂部加熱燈絲的電子落到固态氖（紅色塊）上，單個電子（藍色表示為波函數）被底部超導量子電路晶片捕獲和操控，圖檔來自阿貢國家實驗室

目前，世界各國科學家都在競相開發量子計算機。作為量子計算的運算機關，量子比特可以表示0和1兩個狀态的疊加。未來，量子計算機可以解決任何經典超級計算機無法解決的特定複雜問題。

此次，由阿貢國家實驗室上司的研究團隊，與FAMU-FSU工程學院（佛羅裡達農工大學和佛羅裡達州立大學的聯合工程學院）機械工程副教授Wei Guo團隊合作，建造了一個新的量子比特平台，展示出開發量子計算機的潛力。相關成果近日發表在《自然》(Nature)。

圖檔來自《自然》(Nature)

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

“通過這項研究，我們認為取得了一項重要突破，将在制造量子比特方面獲得長足發展，幫助實作這項技術的潛力。”論文共同作者Wei Guo說道。

前述團隊通過在極低溫度下将氖氣當機成固體，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，會當機成固體。

實驗相關器件，圖檔來自論文

雖然量子比特的類型有很多種，團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的狀态，并被稱為“相幹時間”。但相幹時間是有限的，這一限制由量子比特與環境互相作用的方式所決定。量子比特系統中存在的缺陷會極大降低相幹時間。

出于前述原因，團隊選擇在真空中将電子捕獲在超純固态氖表面。氖是目前僅有的六種惰性元素之一，這意味着它不會與其他元素發生反應。

以往研究使用液态氦作為儲存電子的媒體。盡管液态氦很容易制造，但固态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态，進而影響量子比特性能。

“由于這種惰性，固态氖可以作為真空中最純淨的固體，以承載和保護任何量子比特不受幹擾。”阿貢國家實驗室科學家，項目首席研究員Dafei Jin表示。

通過使用一個晶片級的超導諧振器，微晶片中的電極可以将被困在固氖上的電子保持在原位兩個多月。團隊借助超導微波諧振器發射的微波，操控被捕獲的電子，使其能夠讀取和存儲來自量子比特的資訊，進而應用到未來的量子計算機。

超導微波諧振器(金色)可以利用微波(淡藍光束)幫助控制一個孤立的電子(橙色波函數)，該電子被困在一塊固态氖(綠色)上，圖檔來自阿貢國家實驗室

在建立前述量子比特平台後，團隊使用微波光子對捕獲的電子進行量子比特實時操作，并描述了其量子特性。實驗測試表明，固态氖為電子提供了一個穩定環境，具有非常低的電子噪聲幹擾。同時，該量子比特在量子态下的相幹時間，相較其它量子比特更具有競争力。

“基于這一平台，我們首次實作了近真空環境中的單個電子和諧振器中的單個微波光子之間的強耦合，”阿貢國家實驗室博士後、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配接多個量子比特開拓了可能性。”

科學家認為，實用的量子比特需要具備三個關鍵品質：一，可以表現出長時間的一緻性，即在很長一段時間内保持疊加狀态，理想情況下超過一秒；二，可以快速地從一種狀态轉換到另一種狀态，以幫助快速執行操作，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現象，可以按比例拓展，與許多其它量子比特連接配接，以實作并行工作。

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

研究人員認為，通過開發基于電子自旋而非電荷的量子比特，更可能開發出相幹時間超過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的擴充性如何。“這仍然是所有量子比特平台共有的問題，”Dafei Jin說，“在短期内要實作數百個量子比特并不容易。”

未來，團隊還計劃将基于電子自旋和基于電荷的兩種量子比特糾纏在一起，以實作在同一晶片上制造幾十個量子比特的目标。