构建更好的量子比特：新的量子比特突破可以改变量子计算

由固体氖上的单个电子组成的量子比特平台的图示。研究人员在非常低的温度下将氖气冷冻成固体，将灯泡中的电子喷射到固体上，并将单个电子捕获在那里以创建一个量子比特。图片来源：金大飞/阿贡***实验室

毫无疑问，您是在一个基本信息单位是比特（0 或 1）的数字设备上查看这篇文章。全世界的科学家都在竞相开发一种基于使用量子比特或量子比特的新型计算机，它可以同时是 0 和 1，有朝一日可以解决任何经典超级计算机之外的复杂问题。

由美国能源部 (DOE) 阿贡***实验室的研究人员领导的一个团队与 FAMU-FSU 工程学院机械工程副教授 Wei Guo 密切合作，宣布创建一个新的量子比特平台，该平台显示出巨大的潜力发展成未来的量子计算机。他们的工作发表在《自然》杂志上。

论文合著者郭说：“量子计算机可能是一种革命性工具，用于执行经典计算机几乎不可能进行的计算，但要使它们成为现实，仍有工作要做。” “通过这项研究，我们认为我们在制造有助于实现这项技术潜力的量子比特方面取得了重大突破。”

该团队通过在非常低的温度下将氖气冷冻成固体，将灯泡中的电子喷射到固体上并在那里捕获单个电子来创建其量子比特。

虽然量子比特类型有很多选择，但该团队选择了最简单的一种——单电子。加热一个简单的灯丝，例如在儿童玩具中发现的灯丝，可以很容易地射出无穷无尽的电子。

量子比特的一个重要品质是它们能够长时间保持同时处于 0 或 1 状态，称为“相干时间”。那个时间是有限的，这个限制是由量子比特与环境相互作用的方式决定的。量子位系统中的缺陷会显着缩短相干时间。

出于这个原因，该团队选择在真空中的超纯固体氖表面上捕获电子。氖是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。

“由于这种惰性，固体氖可以作为真空中最干净的固体来承载和保护任何量子比特不被破坏，”阿贡科学家和该项目的首席研究员金大飞说。

通过使用芯片级超导谐振器（如微型微波炉），该团队能够操纵被捕获的电子，使它们能够读取和存储来自量子位的信息，从而使其可用于未来的量子计算机。

以前的研究使用液氦作为保持电子的介质。这种材料很容易消除缺陷，但无液体表面的振动很容易扰乱电子状态，从而影响量子比特的性能。

固体氖提供了一种几乎没有缺陷的材料，它不像液氦那样振动。在构建了他们的平台后，该团队使用微波光子对一个被捕获的电子进行了实时量子比特操作，并对其量子特性进行了表征。这些测试表明，固体氖为电子提供了一个强大的环境，具有非常低的电噪声来干扰它。最重要的是，量子位在量子态中达到了相干时间，与其他最先进的量子位相媲美。

Jin 说，量子比特平台的简单性也应该适合简单、低成本的制造。

量子计算的前景在于这种下一代技术能够比传统计算机更快地计算某些问题。研究人员的目标是将长相干时间与多个量子比特链接在一起的能力相结合——称为纠缠。因此，量子计算机可以找到经典计算机需要多年才能解决的问题的答案。

考虑一个问题，研究人员想要找到由许多氨基酸组成的蛋白质的最低能量构型。这些氨基酸可以以数万亿种方式折叠，经典计算机无法处理这些方式。通过量子计算，人们可以使用纠缠的量子比特来创建所有折叠配置的叠加——提供同时检查所有可能答案并更有效地解决问题的能力。

“研究人员只需要进行一次计算，而不是尝试数万亿种可能的配置，”郭说。