科学探索|固态氖上的单电子方案为新型固态量子比特平台指明了新道路固态氖上的单电子方案为新型

在 2022 年 5 月 4 日发表于《自然》杂志上的一篇论文中，美国能源部（DOE）旗下阿贡国家实验室的一支研究团队，宣布其打造了一套新颖的量子比特平台。通过将氖气冷却到极低的固态，并将电子从灯泡灯丝喷射到固体上，便可在那里捕获一个电子。科学家们希望，这项技术能够为将来的新型量子比特计算机提供理论支撑。

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（图自：Argonne National Laboratory）
阿贡纳米材料中心科学家 Dafei Jin 表示，他们似乎已经找到了某种理想的量子比特形式。由于氖电子平台的结构相对简单，这项技术或有助于极大地压低制造成本。
作为参考，尽管当前已有许多公司和研究机构各种类型的量子计算机，但因量子比特对质量要求极为严苛，使得我们距离实际应用还有很长一段路要走。
至于一个理想量子比特应具有哪些优质特性， Dafei Jin 提出了三个维度。

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研究配图 - 1：固体氖单电子电路 QED 架构与器件设计
首先，一个理想量子比特应能够在相当长一段时间内维持“0”与“1”的叠加态（大约一秒）。
其次，它应该能够在短时间内，从一种状态转变为另一种状态（理想状况下约 1 纳秒）。
第三，量子比特应可以轻松与其它 Qubit 实现连接（科学家称之为“纠缠”）、从而达成并行工作的目的。

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研究配图 - 2：超导谐振器中的单个微波光子之间的强耦合和真空拉比分裂
尽管迄今为止的进展并不是很顺利，但 IBM、英特尔、Google、霍尼韦尔等科技巨头和许多初创企业，还是一头扎进了量子研究领域，以期尽快推动技术改进和商业化运用。
不过 Dafei Jin 表示，他们并不是要与上述企业搞竞争，而是发现并打造了一套全新的量子比特系统，且其具有成为一个理想平台的优异特性。
目前已知有许多种类型的量子比特可供挑选，而这支研究团队机智地选择了最简单的“单电子”方案 —— 玩具中的那种简单灯丝，便可轻易发出无限量的电子。

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研究配图 - 3：固体氖上单电子量子比特的光谱学和时域表征
需要指出的是，任何类型的量子比特（包括电子方案），都面临着极易被周围环境干扰的挑战。为此，阿贡研究团队选择了在真空中的超纯固体氖表面上捕获电子。
Dafei Jin 解释称：“作为少数不与其它元素发生反应的惰性气体元素之一，我们可以利用固体氖的这种性质，来承载和保护任何量子比特不被破坏” 。
而该团队展示的量子比特平台上的一个关键组件，就是由超导体制成的芯片级微波谐振器（微波炉同理）超导体。在抛开了电阻方面的顾虑之后，光 / 电子的能量或信息损失也可以控制到最小。

Neon ice shows promise as a new qubit platform - Washington University（via）