Nature新突破：将单个电子囚禁在氖冰表面构建新型量子比特，这些科学家向传统量子比特发起挑战

2022 年 5 月 5 日 机器之心

机器之心报道

编辑：蛋酱、张倩

通过将氖冻结成固体，并将加热的灯丝产生的电子喷射到氖冰的表面，研究者捕获了单个电子以创建更加稳定、不受干扰的量子比特，可以媲美科学家们研究了 20 年的基于电荷的量子比特。该研究登上了新一期《自然》杂志。

现在，你一定是在一台基本信息单位是经典比特（0 或 1）的数字设备上阅读这篇文章。而全世界的科学家都在开发一种基于量子比特的新型计算机，在这种设备上，量子比特可以同时为 0 和 1。依靠量子比特，量子计算机理论上可以解决经典计算机无法解决的一些问题。

量子比特依赖于量子力学的一种奇异性质，即电子、原子和宇宙的其他组成部分可以以叠加的状态存在，在这种状态下，它们同时向两个相反的方向旋转，或者同时存在于两个或更多的地方。通过将许多量子比特叠加，量子计算机理论上可以同时执行数量惊人的计算。

近年来，亚马逊、谷歌、IBM 等公司都在竞相利用各种量子比特平台创造实用的量子计算机，如超导线圈、离子阱和硅中自旋。然而，所有的量子比特在遭遇外界干扰时都异常脆弱。这阻碍了量子计算机走向现实世界。

在一项新研究中，为了创造一个不受环境干扰的固态量子比特，美国能源部阿贡国家实验室研究员金达飞带领的团队及合作者以氖为载体进行了实验，即在真空中将单个电子捕获到氖冰表面来构造量子比特。他们首先将氖冻结成固体，然后将加热的灯丝产生的电子向氖冰表面喷射，这样一来，氖冰表面可以捕获一个电子并保持几乎任意长时间，形成新型量子比特。与传统量子比特相比，这种量子比特受到的干扰很少，因此要更加稳定，有望被用作量子计算机的理想构建块。

这项研究发表在最新一期《自然》杂志上：

Nature 论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-04539-x

arXiv 论文链接：https://arxiv.org/pdf/2106.10326.pdf

氖是一种像氦一样的惰性气体，几乎从不与其他元素发生反应，这使其成为量子比特的理想宿主。当温度低于大约零下 248.6 摄氏度，压力超过 0.42 个大气压时，氖会冻结成固体。由惰性气体冻结成的固体是自然界中惰性最高、最纯净的固体，可以保护量子比特不受环境干扰。

虽然量子比特类型有很多选择，但在这篇 Nature 论文中，研究人员选择了最简单的量子比特之一——单电子。他们在绝对零度以上百分之一度的温度下将氖冷冻在一块微芯片上，然后用加热的灯丝向它喷射电子。

「当你让单个电子接近氖冰表面时，氖原子中的电子会略微重排，并被这个电子排斥，因为相似的电荷会互相排斥。但由于氖是中性的，这种轻微的电子排斥会导致一个轻微的正电荷的出现，它将单个电子吸附到氖冰表面，」该研究的作者之一、圣路易斯华盛顿大学的量子物理学家 Kater Murch 说道。

然而，这个电子不能穿过氖冰的表面，因为氖的所有电子能级都被填满了，「所以在实际接触表面的过程中，它是被排斥的」，这个电子会停留在氖冰的顶部。

氖冰有望成为量子比特的全新平台。

微芯片的电极可以将困于氖冰的电子保持在原位长达两个多月。芯片上的超导微波谐振器很像一个微观版本的微波炉，通过发射微波来帮助控制和读取量子比特。「它集中了量子比特和微波信号之间的相互作用，使得我们能够测量量子比特的工作情况，」论文作者解释说。

科学家认为，有用的量子比特需要呈现三个关键品质：

长时间保持同时处于 0 或 1 的状态（相干时间），即在很长一段时间内保持叠加状态——理想情况下超过一秒；
可以快速从一种状态切换到另一种状态，以快速执行运算，理想情况下约为十亿分之一秒；
可以通过被称为「纠缠」的量子力学现象扩大规模，从而与许多其他量子比特连接起来并行工作。

新研究的实验表明，在优化过程中，新的量子比特已经可以在叠加状态下保持 220 纳秒，并在几纳秒内改变状态，这可以媲美科学家们研究了 20 年的基于电荷的量子比特。

「这是一个全新的量子比特平台，」论文通讯作者、美国阿贡国家实验室研究员金达飞表示。「它加入了现有的量子比特家族，具有很大的改进潜力，可以与目前知名的量子比特竞争。」

研究人员表示，通过开发基于电子自旋而不是电荷的量子比特，他们可以开发出相干时间超过一秒的量子比特。这种装置相对简单，可能易于低成本制造。

这种新的量子比特与此前的工作有相似之处，比如利用液氦上的电子创建量子比特。然而，研究人员指出，氖冰比液氦更坚硬，它可以抑制可能干扰量子比特的表面振动。

这个新系统的可扩展性（能否扩展到数百、数千或数百万个量子比特）目前还不确定。「我不能说我有一个明确的答案，」金说。「这仍然是所有量子比特平台共同面临的问题。我们可能有比超导量子比特更好的方法，或者与离子阱接近的方法。但在短期内实现数百个量子比特并不容易。」

未来，研究人员的目标不仅是开发基于电子自旋的量子比特，而且还要将两个量子比特纠缠在一起，「因为这是迈向量子计算的关键一步」，也是「在同一芯片上实现数十个量子比特的关键一步」。

虽然目前众所周知的量子比特并不理想，但 IBM、Intel、Google、霍尼韦尔和许多创业公司都选择了他们认为最有前景的一种，并积极展开技术研发以实现量子计算机的商业化。对此，金说，「我们的目标不是与这些公司竞争，而是发现和构建一个全新的量子比特系统，它可能会成为一个理想的量子比特平台。」

「我们的量子比特实际上可以媲美人们已经开发了 20 年的量子比特，」芝加哥大学物理学教授、该论文的高级合著者 David Schuster 说。「这只是我们的第一批实验结果。我们的量子比特平台还远未优化。我们将继续提升相干时间。而且因为这个量子比特平台的运算速度极快，只有几纳秒，因此将其扩展到许多纠缠量子比特的愿景意义重大。」

参考链接：https://spectrum.ieee.org/neon-qubit

https://phys.org/news/2022-05-quantum-bit-qubit-breakthrough.html

https://www.anl.gov/article/the-quest-for-an-ideal-quantum-bit