固態氖上的單電子方案為新型固態量子比特平台指明了新道路
在2022 年5 月4 日發表於《自然》雜誌上的一篇論文中，美國能源部（DOE）旗下阿貢國家實驗室的一支研究團隊，宣布其打造了一套新穎的量子比特平台。通過將氖氣冷卻到極低的固態，並將電子從燈泡燈絲噴射到固體上，便可在那裡捕獲一個電子。科學家們希望，這項技術能夠為將來的新型量子比特計算機提供理論支撐。
（圖自：Argonne National Laboratory）
阿貢納米材料中心科學家Dafei Jin 表示，他們似乎已經找到了某種理想的量子比特形式。由於氖電子平台的結構相對簡單，這項技術或有助於極大地壓低製造成本。
作為參考，儘管當前已有許多公司和研究機構各種類型的量子計算機，但因量子比特對質量要求極為嚴苛，使得我們距離實際應用還有很長一段路要走。
至於一個理想量子比特應具有哪些優質特性，Dafei Jin 提出了三個維度。
研究配圖- 1：固體氖單電子電路QED 架構與器件設計
首先，一個理想量子比特應能夠在相當長一段時間內維持“0”與“1”的疊加態（大約一秒）。
其次，它應該能夠在短時間內，從一種狀態轉變為另一種狀態（理想狀況下約1 納秒）。
第三，量子比特應可以輕鬆與其它Qubit 實現連接（科學家稱之為“糾纏”）、從而達成並行工作的目的。
研究配圖- 2：超導諧振器中的單個微波光子之間的強耦合和真空拉比分裂
儘管迄今為止的進展並不是很順利，但IBM、英特爾、Google、霍尼韋爾等科技巨頭和許多初創企業，還是一頭扎進了量子研究領域，以期盡快推動技術改進和商業化運用。
不過Dafei Jin 表示，他們並不是要與上述企業搞競爭，而是發現並打造了一套全新的量子比特系統，且其具有成為一個理想平台的優異特性。
目前已知有許多種類型的量子比特可供挑選，而這支研究團隊機智地選擇了最簡單的“單電子”方案—— 玩具中的那種簡單燈絲，便可輕易發出無限量的電子。
研究配圖- 3：固體氖上單電子量子比特的光譜學和時域表徵
需要指出的是，任何類型的量子比特（包括電子方案），都面臨著極易被周圍環境干擾的挑戰。為此，阿貢研究團隊選擇了在真空中的超純固體氖表面上捕獲電子。
Dafei Jin 解釋稱：“作為少數不與其它元素發生反應的惰性氣體元素之一，我們可以利用固體氖的這種性質，來承載和保護任何量子比特不被破壞”。
而該團隊展示的量子比特平台上的一個關鍵組件，就是由超導體製成的芯片級微波諧振器（微波爐同理）超導體。在拋開了電阻方面的顧慮之後，光/ 電子的能量或信息損失也可以控製到最小。
Neon ice 有望成為新的量子比特平台 – 華盛頓大學（via）
論文資深合著者、聖路易斯華盛頓大學物理學教授Kater Murch 表示：
微波諧振器的重要性在於，其提供了一種讀取量子比特狀態的關鍵方法。
其集中了量子比特與微波信號之間的相互作用，使得我們能夠通過測量來判斷量子比特的工作情況。
擴展圖2 – 演示裝置與電子源照片
研究一作、阿貢博士後研究員Xianjin Zhou 補充道：
借助該平台，我們首次實現了近真空環境中的單電子、與諧振器中的單個微波光子之間的強耦合。
這開闢了使用微波光子控制每個電子量子比特、並將其中許多量子處理器連接到量子處理器中的可能性。
擴展圖2 – 氖相圖
研究資深合著者、芝加哥大學物理學教授David Schuster 亦表示—— 即使晚了20 年，其新型量子比特平台的表現，還是能夠做到與競爭對手平起平坐。
具體說來是，該團隊使用了一種被稱作“稀釋製冷機”（dilution refrigerator）的測試用科學儀器，溫度可低至僅比絕對零度高10 毫度（millidegrees）。
值得一提的是，該裝置也是美國能源部科學辦公室旗下、阿貢納米材料中心的眾多量子研究優勢裝備之一。
擴展圖4 – 電子生成與沈積過程中觀察到的透射幅度的隨時間演變
在此基礎上，阿貢科學家團隊對新型電子量子比特進行了實時操作、並深入研究了它的量子特性表徵。
結果表明，固體氖為電子提供了一個具有極低電噪聲干擾的相當穩健的環境。
更重要的是，新型量子比特的量子態相干時間，也能夠與當前最先進的競爭平台相媲美。
擴展圖5 – 單電子與微波光子的耦合
有關這項研究的詳情，已經發表在近日出版的《自然》（Nature）期刊上，原標題為《Single electrons on solid neon as a solid-state qubit platform》。
擴展圖6 – 單電子與微波光子之間的真空拉比分裂
擴展圖7 – 在諧振器頻率附近，具有高泵浦功率/ 頻率的雙音量子比特光譜測量
擴展圖- 8：基於包含線性不對稱/ 四次非諧性的最小模型計算的電子量子比特屬性