2022
07/01
相关创新主体

    创新背景

    美国阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory,简称ANL)是美国政府最早建立的国家实验室,也是美国最大的科学与工程研究实验室之一——在美国中西部为最大。阿贡前身是芝加哥大学的冶金实验室 (Metallurgical Lab) [1]  ,现在隶属于美国能源部和芝加哥大学。诺贝尔物理学奖得主费米于1942年在此领导小组建立了人类第一台可控核反应堆(芝加哥一号堆,Chicago Pile-1),完成了曼哈顿计划的重要一环,并且使人类从此迈入原子能时代。

    创新过程

    美国能源部(DOE)阿贡国家实验室宣布由其领导的团队,基于固态氖开发出一个新型量子比特平台。

     

    新型量子比特平台:来自顶部加热灯丝的电子落到固态氖(红色块)上,单个电子(蓝色表示为波函数)被底部超导量子电路芯片捕获和操控,图片来自阿贡国家实验室

    新型量子比特平台:来自顶部加热灯丝的电子落到固态氖(红色块)上,单个电子(蓝色表示为波函数)被底部超导量子电路芯片捕获和操控

     

    目前,世界各国科学家都在竞相开发量子计算机。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经典超级计算机无法解决的特定复杂问题。

    此次,由阿贡国家实验室领导的研究团队,与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,建造了一个新的量子比特平台,展示出开发量子计算机的潜力。相关成果近日发表在《自然》(Nature)。

     

    图片来自《自然》(Nature)

     

    研究的参与者还包括来自芝加哥大学、圣路易斯华盛顿大学、劳伦斯伯克利国家实验室(LBNL)和麻省理工学院的科学家。

    研究团队通过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,以制造新型量子比特。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。

     

    实验相关器件,图片来自论文

    实验相关器件

     

    虽然量子比特的类型有很多种,团队却选择了最简单的一种,即单个电子。加热日常所见的灯泡中一根简单的灯丝,就可以很容易地发射出无限的电子。量子比特的一个重要特性是它能够长时间同时保持0或1的状态,并被称为“相干时间”。但相干时间是有限的,这一限制由量子比特与环境相互作用的方式所决定。量子比特系统中存在的缺陷会极大降低相干时间。出于前述原因,研究团队选择在真空中将电子捕获在超纯固态氖表面。氖是目前仅有的六种惰性元素之一,这意味着它不会与其他元素发生反应。

    以往研究使用液态氦作为保存电子的介质。尽管液态氦很容易制造,但固态氖是一种几乎没有缺陷、不会像液氦一样振动的材料。振动很容易扰乱电子态,从而影响量子比特性能。

    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。通过使用一个芯片级的超导谐振器,微芯片中的电极可以将被困在固态氖上的电子保持在原位两个多月。研究团队借助超导微波谐振器发射的微波,操控被捕获的电子,使其能够读取和存储来自量子比特的信息,从而应用到未来的量子计算机。

     

    超导微波谐振器(金色)可以利用微波(淡蓝光束)帮助控制一个孤立的电子(橙色波函数),该电子被困在一块固态氖(绿色)上,图片来自阿贡国家实验室

    超导微波谐振器(金色)可以利用微波(淡蓝光束)帮助控制一个孤立的电子(橙色波函数),该电子被困在一块固态氖(绿色)上

     

    在建立前述量子比特平台后,团队使用微波光子对捕获的电子进行量子比特实时操作,并描述了其量子特性。实验测试表明,固态氖为电子提供了一个稳定环境,具有非常低的电子噪声干扰。同时,该量子比特在量子态下的相干时间,相较其它量子比特更具有竞争力。基于这一平台,研究团队首次实现了近真空环境中的单个电子和谐振器中的单个微波光子之间的强耦合,这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。

    科学家认为,实用的量子比特需要具备三个关键品质:一是可以表现出长时间的一致性,即在很长一段时间内保持叠加状态,理想情况下超过一秒;二是可以快速地从一种状态转换到另一种状态,以帮助快速执行操作,理想情况下约为十亿分之一秒;三是通过一种被称为纠缠的量子力学现象,可以按比例拓展,与许多其它量子比特连接,以实现并行工作。实验表明,在优化后,新型量子比特可以保持220纳秒的叠加态,改变状态仅需几纳秒(1纳秒为十亿分之一秒),性能优于此前研究了20年的基于电荷的量子比特。

    研究人员认为,通过开发基于电子自旋而非电荷的量子比特,更可能开发出相干时间超过1秒的量子比特。同时,此次装置相对简单,更易于低成本制造。

    目前,研究人员尚不清楚新系统的扩展性如何。“这仍然是所有量子比特平台共有的问题,”Dafei Jin表示,“在短期内要实现数百个量子比特并不容易。”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。

    创新关键点

    研究团队创新性地通过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,制造了新型量子比特,从而应用到未来的量子计算机。

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