《自然》雜志：阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)建新的量子比特平臺(tái)

在《自然》雜志最近的一篇論文中，由美國(guó)能源部 (DOE) 的阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)宣布創(chuàng)建一個(gè)新的量子比特平臺(tái)，該平臺(tái)通過(guò)在極低的溫度下將氖氣凍結(jié)成固體，從加熱燈絲發(fā)射電子到固體氖上，在那里捕獲單個(gè)電子。該系統(tǒng)顯示出巨大的潛力，可以發(fā)展成為未來(lái)量子計(jì)算機(jī)的理想構(gòu)建模塊。

量子比特的特殊之處在于它可以同時(shí)為0和1。物理學(xué)家有時(shí)會(huì)將這種狀態(tài)與著名的量子思想實(shí)驗(yàn)——薛定諤的貓進(jìn)行比較，在該實(shí)驗(yàn)中，隱藏在盒子里的貓?jiān)谌藗兇蜷_盒子之前，理論上可能是活的也可能是死的。當(dāng)有許多量子比特時(shí)，這種疊加狀態(tài)給量子計(jì)算機(jī)帶來(lái)了極大的動(dòng)力。因此，他們有朝一日可以解決任何經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)無(wú)法解決的復(fù)雜問(wèn)題。

要實(shí)現(xiàn)一臺(tái)有用的量子計(jì)算機(jī)，對(duì)量子比特的質(zhì)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(xué)家和該項(xiàng)目的首席研究員Dafei Jin表示，它至少具有三個(gè)卓越的品質(zhì)。

一個(gè)新的量子位平臺(tái)：來(lái)自加熱燈絲(頂部)的電子落在固體氖(紅色塊)上，其中單個(gè)電子(表示為藍(lán)色的波函數(shù))被超導(dǎo)量子電路(底部圖案化芯片)捕獲和操縱. (圖源：Dafei Jin，阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室。)

首先，它可以在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)同時(shí)保持0和1狀態(tài)。科學(xué)家們稱之為長(zhǎng) “相干性”。理想情況下，時(shí)間大約為一秒，這是我們?nèi)粘Ｉ钪锌梢栽诩矣脮r(shí)鐘上感知的時(shí)間步長(zhǎng)。

其次，量子位可以在短時(shí)間內(nèi)從一種狀態(tài)變?yōu)榱硪环N狀態(tài)。理想情況下，該時(shí)間約為十億分之一秒(納秒)，這是經(jīng)典計(jì)算機(jī)時(shí)鐘的時(shí)間步長(zhǎng)。

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(xué)家將這種聯(lián)系稱為糾纏。

雖然目前廣為人知的量子位并不理想，但I(xiàn)BM、英特爾、谷歌、霍尼韋爾等公司和許多初創(chuàng)公司都選擇了他們最擅長(zhǎng)的。他們正在積極追求技術(shù)改進(jìn)和商業(yè)化。

“我們雄心勃勃的目標(biāo)不是與這些公司競(jìng)爭(zhēng)，而是發(fā)現(xiàn)和構(gòu)建一個(gè)全新的量子比特系統(tǒng)，從而形成一個(gè)理想的平臺(tái)，”Dafei Jin表示。

雖然量子位類型有很多選擇，但該團(tuán)隊(duì)選擇了最簡(jiǎn)單的一種——單電子。僅加熱您可能在兒童玩具中找到的簡(jiǎn)單燈絲就可以輕松發(fā)射無(wú)限的電子。

包括電子在內(nèi)的任何量子位所面臨的挑戰(zhàn)之一是，它對(duì)周圍環(huán)境的干擾非常敏感。因此，該團(tuán)隊(duì)選擇在真空中將電子捕獲在超純固體氖表面。

氖是少數(shù)不與其他元素發(fā)生反應(yīng)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(lái)承載和保護(hù)任何量子比特免受??破壞，”Dafei Jin表示。

該團(tuán)隊(duì)量子比特平臺(tái)的一個(gè)關(guān)鍵組件是一個(gè)由超導(dǎo)體制成的芯片級(jí)微波諧振器。(更大的家用微波爐也是一個(gè)微波諧振器。)超導(dǎo)體——沒(méi)有電阻的金屬——允許電子和光子在接近絕對(duì)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(guān)重要的讀取量子比特狀態(tài)的方法，”圣路易斯華盛頓大學(xué)物理學(xué)教授、該論文的高級(jí)合著者Kater Murch表示，“它集中了量子位和微波信號(hào)之間的相互作用。這使我們能夠通過(guò)測(cè)量來(lái)判斷量子位的工作情況。”

“基于這個(gè)平臺(tái)，我們有史以來(lái)首次實(shí)現(xiàn)了近真空環(huán)境中的單個(gè)電子與諧振器中的單個(gè)微波光子之間的強(qiáng)耦合，”阿貢大學(xué)博士后、該論文的第一作者Xianjing Zhou說(shuō)道，“這為使用微波光子控制每個(gè)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。”

關(guān)鍵詞： 阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)建 量子比特平臺(tái) 極大的動(dòng)力 量要求極為苛刻