通過將氖凍結成固體，并將加熱的燈絲產生的電子噴射到氖冰的表面，研究者捕獲了單個電子以創(chuàng)建更加穩(wěn)定、不受干擾的量子比特，可以媲美科學家們研究了 20 年的基于電荷的量子比特。該研究登上了新一期《自然》雜志。

現在，你一定是在一臺基本信息單位是經典比特(0 或 1)的數字設備上閱讀這篇文章。而全世界的科學家都在開發(fā)一種基于量子比特的新型計算機，在這種設備上，量子比特可以同時為 0 和 1。依靠量子比特，量子計算機理論上可以解決經典計算機無法解決的一些問題。

量子比特依賴于量子力學的一種奇異性質，即電子、原子和宇宙的其他組成部分可以以疊加的狀態(tài)存在，在這種狀態(tài)下，它們同時向兩個相反的方向旋轉，或者同時存在于兩個或更多的地方。通過將許多量子比特疊加，量子計算機理論上可以同時執(zhí)行數量驚人的計算。

近年來，亞馬遜、谷歌、IBM 等公司都在競相利用各種量子比特平臺創(chuàng)造實用的量子計算機，如超導線圈、離子阱和硅中自旋。然而，所有的量子比特在遭遇外界干擾時都異常脆弱。這阻礙了量子計算機走向現實世界。

在一項新研究中，為了創(chuàng)造一個不受環(huán)境干擾的固態(tài)量子比特，美國能源部阿貢國家實驗室研究員金達飛帶領的團隊及合作者以氖為載體進行了實驗，即在真空中將單個電子捕獲到氖冰表面來構造量子比特。他們首先將氖凍結成固體，然后將加熱的燈絲產生的電子向氖冰表面噴射，這樣一來，氖冰表面可以捕獲一個電子并保持幾乎任意長時間，形成新型量子比特。與傳統(tǒng)量子比特相比，這種量子比特受到的干擾很少，因此要更加穩(wěn)定，有望被用作量子計算機的理想構建塊。

這項研究發(fā)表在最新一期《自然》雜志上：

Nature 論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-04539-xarXiv 論文鏈接：https://arxiv.org/pdf/2106.10326.pdf

氖是一種像氦一樣的惰性氣體，幾乎從不與其他元素發(fā)生反應，這使其成為量子比特的理想宿主。當溫度低于大約零下 248.6 攝氏度，壓力超過 0.42 個大氣壓時，氖會凍結成固體。由惰性氣體凍結成的固體是自然界中惰性最高、最純凈的固體，可以保護量子比特不受環(huán)境干擾。

雖然量子比特類型有很多選擇，但在這篇 Nature 論文中，研究人員選擇了最簡單的量子比特之一——單電子。他們在絕對零度以上百分之一度的溫度下將氖冷凍在一塊微芯片上，然后用加熱的燈絲向它噴射電子。

「當你讓單個電子接近氖冰表面時，氖原子中的電子會略微重排，并被這個電子排斥，因為相似的電荷會互相排斥。但由于氖是中性的，這種輕微的電子排斥會導致一個輕微的正電荷的出現，它將單個電子吸附到氖冰表面，」該研究的作者之一、圣路易斯華盛頓大學的量子物理學家 Kater Murch 說道。

然而，這個電子不能穿過氖冰的表面，因為氖的所有電子能級都被填滿了，「所以在實際接觸表面的過程中，它是被排斥的」，這個電子會停留在氖冰的頂部。

微芯片的電極可以將困于氖冰的電子保持在原位長達兩個多月。芯片上的超導微波諧振器很像一個微觀版本的微波爐，通過發(fā)射微波來幫助控制和讀取量子比特?！杆辛肆孔颖忍睾臀⒉ㄐ盘栔g的相互作用，使得我們能夠測量量子比特的工作情況，」論文作者解釋說。

科學家認為，有用的量子比特需要呈現三個關鍵品質：

• 長時間保持同時處于 0 或 1 的狀態(tài)(相干時間)，即在很長一段時間內保持疊加狀態(tài)——理想情況下超過一秒;
• 可以快速從一種狀態(tài)切換到另一種狀態(tài)，以快速執(zhí)行運算，理想情況下約為十億分之一秒;
• 可以通過被稱為「糾纏」的量子力學現象擴大規(guī)模，從而與許多其他量子比特連接起來并行工作。

新研究的實驗表明，在優(yōu)化過程中，新的量子比特已經可以在疊加狀態(tài)下保持 220 納秒，并在幾納秒內改變狀態(tài)，這可以媲美科學家們研究了 20 年的基于電荷的量子比特。

「這是一個全新的量子比特平臺，」論文通訊作者、美國阿貢國家實驗室研究員金達飛表示?！杆尤肓爽F有的量子比特家族，具有很大的改進潛力，可以與目前知名的量子比特競爭。」

研究人員表示，通過開發(fā)基于電子自旋而不是電荷的量子比特，他們可以開發(fā)出相干時間超過一秒的量子比特。這種裝置相對簡單，可能易于低成本制造。

這種新的量子比特與此前的工作有相似之處，比如利用液氦上的電子創(chuàng)建量子比特。然而，研究人員指出，氖冰比液氦更堅硬，它可以抑制可能干擾量子比特的表面振動。

這個新系統(tǒng)的可擴展性(能否擴展到數百、數千或數百萬個量子比特)目前還不確定?！肝也荒苷f我有一個明確的答案，」金說?！高@仍然是所有量子比特平臺共同面臨的問題。我們可能有比超導量子比特更好的方法，或者與離子阱接近的方法。但在短期內實現數百個量子比特并不容易?！?/p>

未來，研究人員的目標不僅是開發(fā)基于電子自旋的量子比特，而且還要將兩個量子比特糾纏在一起，「因為這是邁向量子計算的關鍵一步」，也是「在同一芯片上實現數十個量子比特的關鍵一步」。

雖然目前眾所周知的量子比特并不理想，但 IBM、Intel、Google、霍尼韋爾和許多創(chuàng)業(yè)公司都選擇了他們認為最有前景的一種，并積極展開技術研發(fā)以實現量子計算機的商業(yè)化。對此，金說，「我們的目標不是與這些公司競爭，而是發(fā)現和構建一個全新的量子比特系統(tǒng)，它可能會成為一個理想的量子比特平臺?！?/p>

「我們的量子比特實際上可以媲美人們已經開發(fā)了 20 年的量子比特，」芝加哥大學物理學教授、該論文的高級合著者 David Schuster 說?！高@只是我們的第一批實驗結果。我們的量子比特平臺還遠未優(yōu)化。我們將繼續(xù)提升相干時間。而且因為這個量子比特平臺的運算速度極快，只有幾納秒，因此將其擴展到許多糾纏量子比特的愿景意義重大?！?/p>