在《自然》雜志最近的一篇論文中，由美國能源部 (DOE) 的阿貢國家實驗室領導的一個團隊宣布創建一個新的量子比特平臺，該平臺通過在極低的溫度下將氖氣凍結成固體，從加熱燈絲發射電子到固體氖上，在那里捕獲單個電子。該系統顯示出巨大的潛力，可以發展成為未來量子計算機的理想構建模塊。
量子比特的特殊之處在于它可以同時為0和1。物理學家有時會將這種狀態與著名的量子思想實驗——薛定諤的貓進行比較，在該實驗中，隱藏在盒子里的貓在人們打開盒子之前，理論上可能是活的也可能是死的。當有許多量子比特時，這種疊加狀態給量子計算機帶來了極大的動力。因此，他們有朝一日可以解決任何經典超級計算機無法解決的復雜問題。
要實現一臺有用的量子計算機，對量子比特的質量要求極為苛刻。雖然今天有各種形式的量子比特，但它們都不是理想的。
理想的量子位是什么樣的?阿貢科學家和該項目的首席研究員Dafei Jin表示，它至少具有三個卓越的品質。
一個新的量子位平臺：來自加熱燈絲(頂部)的電子落在固體氖(紅色塊)上，其中單個電子(表示為藍色的波函數)被超導量子電路(底部圖案化芯片)捕獲和操縱. (圖源：Dafei Jin，阿貢國家實驗室。)
首先，它可以在很長一段時間內同時保持0和1狀態。科學家們稱之為長 “相干性”。理想情況下，時間大約為一秒，這是我們日常生活中可以在家用時鐘上感知的時間步長。
其次，量子位可以在短時間內從一種狀態變為另一種狀態。理想情況下，該時間約為十億分之一秒(納秒)，這是經典計算機時鐘的時間步長。
第三，量子位可以很容易地與許多其他量子位連接，這樣它們可以彼此并行工作。科學家將這種聯系稱為糾纏。
雖然目前廣為人知的量子位并不理想，但IBM、英特爾、谷歌、霍尼韋爾等公司和許多初創公司都選擇了他們最擅長的。他們正在積極追求技術改進和商業化。
“我們雄心勃勃的目標不是與這些公司競爭，而是發現和構建一個全新的量子比特系統，從而形成一個理想的平臺，”Dafei Jin表示。
雖然量子位類型有很多選擇，但該團隊選擇了最簡單的一種——單電子。僅加熱您可能在兒童玩具中找到的簡單燈絲就可以輕松發射無限的電子。
包括電子在內的任何量子位所面臨的挑戰之一是，它對周圍環境的干擾非常敏感。因此，該團隊選擇在真空中將電子捕獲在超純固體氖表面。
氖是少數不與其他元素發生反應的惰性元素之一。“由于這種惰性，固體氖可以作為真空中最干凈的固體來承載和保護任何量子比特免受??破壞，”Dafei Jin表示。
該團隊量子比特平臺的一個關鍵組件是一個由超導體制成的芯片級微波諧振器。(更大的家用微波爐也是一個微波諧振器。)超導體——沒有電阻的金屬——允許電子和光子在接近絕對零的情況下相互作用，而能量或信息的損失最小。
“微波諧振器提供了一種至關重要的讀取量子比特狀態的方法，”圣路易斯華盛頓大學物理學教授、該論文的高級合著者Kater Murch表示，“它集中了量子位和微波信號之間的相互作用。這使我們能夠通過測量來判斷量子位的工作情況。”
“基于這個平臺，我們有史以來首次實現了近真空環境中的單個電子與諧振器中的單個微波光子之間的強耦合，”阿貢大學博士后、該論文的第一作者Xianjing Zhou說道，“這為使用微波光子控制每個電子量子位并將其中許多連接到量子處理器中開辟了可能性。”
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