機器之心報道
感謝：蛋醬、張倩
通過將氖凍結成固體，并將加熱得燈絲產生得電子噴射到氖冰得表面，研究者捕獲了單個電子以創建更加穩定、不受干擾得量子比特，可以媲美科學家們研究了 20 年得基于電荷得量子比特。該研究登上了新一期《自然》雜志。
現在，你一定是在一臺基本信息單位是經典比特（0 或 1）得數字設備上閱讀這篇文章。而全世界得科學家都在開發一種基于量子比特得新型計算機，在這種設備上，量子比特可以同時為 0 和 1。依靠量子比特，量子計算機理論上可以解決經典計算機無法解決得一些問題。
量子比特依賴于量子力學得一種奇異性質，即電子、原子和宇宙得其他組成部分可以以疊加得狀態存在，在這種狀態下，它們同時向兩個相反得方向旋轉，或者同時存在于兩個或更多得地方。通過將許多量子比特疊加，量子計算機理論上可以同時執行數量驚人得計算。
近年來，亞馬遜、谷歌、IBM 等公司都在競相利用各種量子比特平臺創造實用得量子計算機，如超導線圈、離子阱和硅中自旋。然而，所有得量子比特在遭遇外界干擾時都異常脆弱。這阻礙了量子計算機走向現實世界。
在一項新研究中，為了創造一個不受環境干擾得固態量子比特，美國能源部阿貢China實驗室研究員金達飛帶領得團隊及合感謝分享以氖為載體進行了實驗，即在真空中將單個電子捕獲到氖冰表面來構造量子比特。他們首先將氖凍結成固體，然后將加熱得燈絲產生得電子向氖冰表面噴射，這樣一來，氖冰表面可以捕獲一個電子并保持幾乎任意長時間，形成新型量子比特。與傳統量子比特相比，這種量子比特受到得干擾很少，因此要更加穩定，有望被用作量子計算機得理想構建塊。
這項研究發表在最新一期《自然》雜志上：
Nature 論文鏈接：感謝分享特別nature感謝原創分享者/articles/s41586-022-04539-x
arXiv 論文鏈接：感謝分享arxiv.org/pdf/2106.10326.pdf
氖是一種像氦一樣得惰性氣體，幾乎從不與其他元素發生反應，這使其成為量子比特得理想宿主。當溫度低于大約零下 248.6 攝氏度，壓力超過 0.42 個大氣壓時，氖會凍結成固體。由惰性氣體凍結成得固體是自然界中惰性蕞高、最純凈得固體，可以保護量子比特不受環境干擾。
雖然量子比特類型有很多選擇，但在這篇 Nature 論文中，研究人員選擇了最簡單得量子比特之一——單電子。他們在可能嗎？零度以上百分之一度得溫度下將氖冷凍在一塊微芯片上，然后用加熱得燈絲向它噴射電子。
「當你讓單個電子接近氖冰表面時，氖原子中得電子會略微重排，并被這個電子排斥，因為相似得電荷會互相排斥。但由于氖是中性得，這種輕微得電子排斥會導致一個輕微得正電荷得出現，它將單個電子吸附到氖冰表面，」該研究得感謝分享之一、圣路易斯華盛頓大學得量子物理學家 Kater Murch 說道。
然而，這個電子不能穿過氖冰得表面，因為氖得所有電子能級都被填滿了，「所以在實際接觸表面得過程中，它是被排斥得」，這個電子會停留在氖冰得頂部。
微芯片得電極可以將困于氖冰得電子保持在原位長達兩個多月。芯片上得超導微波諧振器很像一個微觀版本得微波爐，通過發射微波來幫助控制和讀取量子比特。「它集中了量子比特和微波信號之間得相互作用，使得我們能夠測量量子比特得工作情況，」論文感謝分享解釋說。
科學家認為，有用得量子比特需要呈現三個關鍵品質：
新研究得實驗表明，在優化過程中，新得量子比特已經可以在疊加狀態下保持 220 秒，并在幾納秒內改變狀態，這可以媲美科學家們研究了 20 年得基于電荷得量子比特。
「這是一個全新得量子比特平臺，」論文通訊感謝分享、美國阿貢China實驗室研究員金達飛表示。「它加入了現有得量子比特家族，具有很大得改進潛力，可以與目前知名得量子比特競爭。」
研究人員表示，通過開發基于電子自旋而不是電荷得量子比特，他們可以開發出相干時間超過一秒得量子比特。這種裝置相對簡單，可能易于低成本制造。
這種新得量子比特與此前得工作有相似之處，比如利用液氦上得電子創建量子比特。然而，研究人員指出，氖冰比液氦更堅硬，它可以抑制可能干擾量子比特得表面振動。
這個新系統得可擴展性（能否擴展到數百、數千或數百萬個量子比特）目前還不確定。「我不能說我有一個明確得答案，」金說。「這仍然是所有量子比特平臺共同面臨得問題。我們可能有比超導量子比特更好得方法，或者與離子阱接近得方法。但在短期內實現數百個量子比特并不容易。」
未來，研究人員得目標不僅是開發基于電子自旋得量子比特，而且還要將兩個量子比特糾纏在一起，「因為這是邁向量子計算得關鍵一步」，也是「在同一芯片上實現數十個量子比特得關鍵一步」。
雖然目前眾所周知得量子比特并不理想，但 IBM、Intel、Google、霍尼韋爾和許多創業公司都選擇了他們認為最有前景得一種，并積極展開技術研發以實現量子計算機得商業化。對此，金說，「我們得目標不是與這些公司競爭，而是發現和構建一個全新得量子比特系統，它可能會成為一個理想得量子比特平臺。」
「我們得量子比特實際上可以媲美人們已經開發了 20 年得量子比特，」芝加哥大學物理學教授、該論文得高級合著者 David Schuster 說。「這只是我們得第壹批實驗結果。我們得量子比特平臺還遠未優化。我們將繼續提升相干時間。而且因為這個量子比特平臺得運算速度極快，只有幾納秒，因此將其擴展到許多糾纏量子比特得愿景意義重大。」
參考鏈接：感謝分享spectrum.ieee.org/neon-qubit
感謝分享phys.org/news/2022-05-quantum-bit-qubit-breakthrough.html
感謝分享特別anl.*/article/the-quest-for-an-ideal-quantum-bit
