科学家通过固态氖研发新型量子比特平台

近日，美国能源部（DOE）阿贡国家实验室宣布成功基于固态氖开发出一个新型量子比特平台，该项目由阿贡国家实验室和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，该项研究及具体细节已发表在学术杂志《自然》上。

据了解，新型量子比特平台如图所示，来自顶部加热灯丝的电子落到固态氖（红色方块）上，单个电子（蓝色是波函数）被底部超导量子电路芯片（黄色芯片）捕获操控。

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超级计算机无法解决的特定复杂问题，研发量子比特平台是很有必要的，目各个国家企业正在加大投入成本研发量子比特平台和量子计算机。

一般来说，量子比特的属性是能长时间同时保持0或1的状态（此过程叫做相干时间），但相干时间是有限制的，它主要由量子比特与环境相互作用的方式所决定，而量子比特系统存在的缺陷会极大降低相干时间。

处于前述原因，该团队选择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，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。

选择氖的原因是，氖是目前已发现的六种惰性元素之一，这意味着它不会与其他元素产生反应，虽然以往研究是使用液态氖进行实验，但它很容易扰乱电子态，从而影响量子比特性能，而固态氖几乎没有缺陷，也不会像液态氖一样振动。

该团队首席研究员Dafei Jin表示，“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。”

据悉，该新型量子具有极低的电子噪声干扰，同时在量子态下的相干时间，相较于其他量子比特更有竞争力，为利用微波光子控制每个电子量子比特，并在量子处理器中连接多个量子比特开拓了可能性。再加上该研究装置相对简单，更易于低成本制造，容易应用。

研究参与者Wei Guo表示，“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。”

未来，团队还计划将基于电子自旋和基于电荷的两种量子比特纠缠在一起，以实现在同一芯片上制造几十个量子比特的目标。