ANL开发出最接近理想比特的量子计算机构建块

　　我们已经拥有某种量子计算机，但它们还不实用、不可靠或规模不够大，无法充分挖掘量子计算的巨大潜力。

（资料图）

　　为了更接近这一最终目标，科学家们正在朝着量子计算机的理想构建模块的方向努力。

　　这些构建块被称为量子比特。与存储 1 或 0 的经典计算机位不同，这些量子位可以同时存在 0 和 1 状态，就像著名的薛定谔的猫一样，可以介于死活之间。

　　这种量子效应有望实现计算力的指数级飞跃。

　　构建量子比特有多种方法，最新研究提出的愿景可能是最接近理想量子比特的前进方向：被困在冻结氖气顶部的电子，可以使用超导量子电路操纵的电子。

　　伊利诺伊州阿贡国家实验室的量子物理学家Dafei Jin说：“由于氖电子平台相对简单，它应该可以以低成本轻松制造。看起来理想的量子比特呼之欲出。”

　　新的量子比特符合科学家设定的三个主要标准。首先，它需要在很长一段时间内保持稳定，这被称为量子相干性。在量子计算中，很长的时间大约是一秒。

　　在这种情况下，超纯固体氖表面非常抗干扰。通过将电子捕获在真空中，电子能够保持足够长的时间稳定，以使量子位能够可被操作。

　　以前都使用液态氦，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。

　　量子比特还需要能够非常快速地从一种状态变为另一种状态(大约十亿分之一秒)。最后，它们需要能够纠缠——这意味着它们需要能够轻松地与其他量子比特连接。

　　正是这些并行的多量子比特操作将释放全量子计算的能量和潜力。

　　新量子比特的另一个关键部分是量子比特下方的基于超导体的微波谐振器——它对于读取量子比特的状态和测量它的工作情况至关重要。

　　“借助这个平台，我们首次实现了近真空环境中的单个电子与谐振器中的单个微波光子之间的强耦合。”阿贡国家实验室的 Xianjing Zhou 说。

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

　　但这就是问题所在——这些极端温度要求意味着测试是在一种称为稀释冰箱的科学仪器中进行的，该仪器能够将温度降低至仅比绝对零高 10 毫度(即-273.15 摄氏度)。

　　考虑到这一点，我们显然还没有到能够在笔记本电脑中打包像这样的量子比特的阶段。但即使在这个早期阶段，就连贯性而言，量子比特的表现已经与几十年来一直在开发的替代品处于同一水平。

　　包括谷歌、微软和 IBM 在内的公司正在推进他们自己的量子比特设计，但研究人员认为，他们提出的解决方案可能是最有前途的。

　　“我们雄心勃勃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，它可以带来一个理想的平台。”Jin说。

　　该研究已发表在《自然》上。