近日|阿贡国家实验室开发出新型量子比特平台近日

近日，美国能源部(DOE)阿贡国家实验室宣布由其领导的团队，基于固态氖开发出一个新型量子比特平台。

文章图片
新型量子比特平台：来自顶部加热灯丝的电子落到固态氖（红色块）上，单个电子（蓝色表示为波函数）被底部超导量子电路芯片捕获和操控，图片来自阿贡国家实验室目前，世界各国科学家都在竞相开发量子计算机。作为量子计算的运算单位，量子比特可以表示0和1两个状态的叠加。未来，量子计算机可以解决任何经典超级计算机无法解决的特定复杂问题。
此次，由阿贡国家实验室领导的研究团队，与FAMU-FSU工程学院（佛罗里达农工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WeiGuo团队合作，建造了一个新的量子比特平台，展示出开发量子计算机的潜力。相关成果近日发表在《自然》(Nature) 。

文章图片
图片来自《自然》(Nature)前述研究的参与者还包括来自芝加哥大学、圣路易斯华盛顿大学、劳伦斯伯克利国家实验室(LBNL)和麻省理工学院的科学家。
“通过这项研究，我们认为取得了一项重要突破，将在制造量子比特方面获得长足发展，帮助实现这项技术的潜力。 ”论文共同作者WeiGuo说道。
前述团队通过在极低温度下将氖气冻结成固体，把灯泡中加热灯丝的电子喷射到固体上，并捕获单个电子，以制造新型量子比特。当氖冷却到大约零下248.6摄氏度，压力超过0.42个大气压时，会冻结成固体。

文章图片
实验相关器件，图片来自论文虽然量子比特的类型有很多种，团队却选择了最简单的一种，即单个电子。加热日常所见的灯泡中一根简单的灯丝，就可以很容易地发射出无限的电子。
量子比特的一个重要特性是它能够长时间同时保持0或1的状态，并被称为“相干时间” 。但相干时间是有限的，这一限制由量子比特与环境相互作用的方式所决定。量子比特系统中存在的缺陷会极大降低相干时间。
出于前述原因，团队选择在真空中将电子捕获在超纯固态氖表面。氖是目前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。
以往研究使用液态氦作为保存电子的介质。尽管液态氦很容易制造，但固态氖是一种几乎没有缺陷、不会像液氦一样振动的材料。振动很容易扰乱电子态，从而影响量子比特性能。
“由于这种惰性，固态氖可以作为真空中最纯净的固体，以承载和保护任何量子比特不受干扰。 ”阿贡国家实验室科学家，项目首席研究员DafeiJin表示。
通过使用一个芯片级的超导谐振器，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。团队借助超导微波谐振器发射的微波，操控被捕获的电子，使其能够读取和存储来自量子比特的信息，从而应用到未来的量子计算机。

文章图片
【近日|阿贡国家实验室开发出新型量子比特平台】超导微波谐振器(金色)可以利用微波(淡蓝光束)帮助控制一个孤立的电子(橙色波函数) ，该电子被困在一块固态氖(绿色)上，图片来自阿贡国家实验室在建立前述量子比特平台后，团队使用微波光子对捕获的电子进行量子比特实时操作，并描述了其量子特性。实验测试表明，固态氖为电子提供了一个稳定环境，具有非常低的电子噪声干扰。同时，该量子比特在量子态下的相干时间，相较其它量子比特更具有竞争力。