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固态氖上的单电子方案为新型固态量子比特平台指明了新道路

时间：2022-06-14

在 2022 年 5 月 4 日发表于《自然》杂志上的一篇论文中，美国能源部（DOE）旗下阿贡国家实验室的一支研究团队，宣布其打造了一套新颖的量子比特平台。通过将氖气冷却到极低的固态，并将电子从灯泡灯丝喷射到固体上，便可在那里捕获一个电子。科学家们希望，这项技术能够为将来的新型量子比特计算机提供理论支撑。

阿贡纳米材料中心科学家 Dafei Jin 表示，他们似乎已经找到了某种理想的量子比特形式。由于氖电子平台的结构相对简单，这项技术或有助于极大地压低制造成本。

作为参考，尽管当前已有许多公司和研究机构各种类型的量子计算机，但因量子比特对质量要求极为严苛，使得我们距离实际应用还有很长一段路要走。

至于一个理想量子比特应具有哪些优质特性，Dafei Jin 提出了三个维度。

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研究配图 - 1：固体氖单电子电路 QED 架构与器件设计

首先，一个理想量子比特应能够在相当长一段时间内维持“0”与“1”的叠加态（大约一秒）。

其次，它应该能够在短时间内，从一种状态转变为另一种状态（理想状况下约 1 纳秒）。

第三，量子比特应可以轻松与其它 Qubit 实现连接（科学家称之为“纠缠”）、从而达成并行工作的目的。

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研究配图 - 2：超导谐振器中的单个微波光子之间的强耦合和真空拉比分裂

尽管迄今为止的进展并不是很顺利，但 IBM、英特尔、Google、霍尼韦尔等科技巨头和许多初创企业，还是一头扎进了量子研究领域，以期尽快推动技术改进和商业化运用。

不过 Dafei Jin 表示，他们并不是要与上述企业搞竞争，而是发现并打造了一套全新的量子比特系统，且其具有成为一个理想平台的优异特性。

目前已知有许多种类型的量子比特可供挑选，而这支研究团队机智地选择了最简单的“单电子”方案 —— 玩具中的那种简单灯丝，便可轻易发出无限量的电子。

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研究配图 - 3：固体氖上单电子量子比特的光谱学和时域表征

需要指出的是，任何类型的量子比特（包括电子方案），都面临着极易被周围环境干扰的挑战。为此，阿贡研究团队选择了在真空中的超纯固体氖表面上捕获电子。

Dafei Jin 解释称：“作为少数不与其它元素发生反应的惰性气体元素之一，我们可以利用固体氖的这种性质，来承载和保护任何量子比特不被破坏”。

而该团队展示的量子比特平台上的一个关键组件，就是由超导体制成的芯片级微波谐振器（微波炉同理）超导体。在抛开了电阻方面的顾虑之后，光 / 电子的能量或信息损失也可以控制到最小。

Neon ice shows promise as a new qubit platform - Washington University（via）

论文资深合著者、圣路易斯华盛顿大学物理学教授 Kater Murch 表示：

微波谐振器的重要性在于，其提供了一种读取量子比特状态的关键方法。

其集中了量子比特与微波信号之间的相互作用，使得我们能够通过测量来判断量子比特的工作情况。

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扩展图 2 - 演示装置与电子源照片

研究一作、阿贡博士后研究员 Xianjin Zhou 补充道：

借助该平台，我们首次实现了近真空环境中的单电子、与谐振器中的单个微波光子之间的强耦合。

这开辟了使用微波光子控制每个电子量子比特、并将其中许多量子处理器连接到量子处理器中的可能性。

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扩展图 2 - 氖相图

研究资深合著者、芝加哥大学物理学教授 David Schuster 亦表示 —— 即使晚了 20 年，其新型量子比特平台的表现，还是能够做到与竞争对手平起平坐。

具体说来是，该团队使用了一种被称作“稀释制冷机”（dilution refrigerator）的测试用科学仪器，温度可低至仅比绝对零度高 10 毫度（millidegrees）。

值得一提的是，该装置也是美国能源部科学办公室旗下、阿贡纳米材料中心的众多量子研究优势装备之一。

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扩展图 4 - 电子生成与沉积过程中观察到的透射幅度的随时间演变

在此基础上，阿贡科学家团队对新型电子量子比特进行了实时操作、并深入研究了它的量子特性表征。

结果表明，固体氖为电子提供了一个具有极低电噪声干扰的相当稳健的环境。

更重要的是，新型量子比特的量子态相干时间，也能够与当前最先进的竞争平台相媲美。

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扩展图 5 - 单电子与微波光子的耦合

有关这项研究的详情，已经发表在近日出版的《自然》（Nature）期刊上，原标题为《Single electrons on solid neon as a solid-state qubit platform》。

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扩展图 6 - 单电子与微波光子之间的真空拉比分裂

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扩展图 7 - 在谐振器频率附近，具有高泵浦功率 / 频率的双音量子比特光谱测量

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扩展图 - 8：基于包含线性不对称 / 四次非谐性的最小模型计算的电子量子比特属性

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