科学探索|基于固态氖 科学家开发出新型量子比特平台

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 。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 。

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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Wei Guo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) 。

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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Wei Guo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 。

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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Dafei Jin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 。

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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 。