物理學(xué)家記錄了石墨烯量子比特的壽命

來自麻省理工學(xué)院和其他地方的研究人員首次記錄了石墨烯量子比特的“時(shí)間相干性” - 意味著它可以維持一種特殊狀態(tài)多長時(shí)間，使其能夠同時(shí)代表兩個(gè)邏輯狀態(tài)。研究人員稱，該演示使用了一種新型的基于石墨烯的量子比特，代表了實(shí)用量子計(jì)算的關(guān)鍵一步。

超導(dǎo)量子比特(簡稱為量子比特)是人造原子，它們使用各種方法產(chǎn)生量子信息，這是量子計(jì)算機(jī)的基本組成部分。類似于計(jì)算機(jī)中的傳統(tǒng)二進(jìn)制電路，量子位可以保持對(duì)應(yīng)于經(jīng)典二進(jìn)制位的兩種狀態(tài)之一，即0或1.但是這些量子位也可以同時(shí)是兩種狀態(tài)的疊加，這可以使量子計(jì)算機(jī)解決復(fù)雜的問題，對(duì)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)來說幾乎是不可能的。

這些量子位保持在這種疊加狀態(tài)的時(shí)間量被稱為它們的“相干時(shí)間”。相干時(shí)間越長，量子比特計(jì)算復(fù)雜問題的能力就越大。

最近，研究人員已經(jīng)將基于石墨烯的材料結(jié)合到超導(dǎo)量子計(jì)算設(shè)備中，這些設(shè)備承諾更快，更有效的計(jì)算，以及其他特權(quán)。然而，到目前為止，這些先進(jìn)的量子比特沒有記錄的連貫性，因此不知道它們是否適用于實(shí)際的量子計(jì)算。

在 Nature Nanotechnology上發(fā)表的一篇論文中，研究人員首次展示了由石墨烯和異國材料制成的連貫量子比特。這些材料使量子比特能夠通過電壓改變狀態(tài)，就像當(dāng)今傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)芯片中的晶體管一樣 - 并且與大多數(shù)其他類型的超導(dǎo)量子比特不同。此外，研究人員在量子位恢復(fù)到基態(tài)之前，將該數(shù)字設(shè)置為55納秒。

這項(xiàng)工作結(jié)合了共同作者William Dliver，一位實(shí)踐的物理學(xué)教授和林肯實(shí)驗(yàn)室研究員，他的工作重點(diǎn)是量子計(jì)算系統(tǒng)，以及Pablo Jarillo-Herrero，麻省理工學(xué)院的Cecil和Ida綠色物理教授，研究創(chuàng)新在石墨烯中。

“我們的動(dòng)機(jī)是利用石墨烯的獨(dú)特性質(zhì)來改善超導(dǎo)量子比特的性能，”第一作者Joel I-Jan Wang說，他是麻省理工學(xué)院電子研究實(shí)驗(yàn)室(RLE)Oliver小組的博士后。“在這項(xiàng)工作中，我們首次表明，由石墨烯制成的超導(dǎo)量子比特在時(shí)間上是量子相干的，這是構(gòu)建更復(fù)雜的量子電路的關(guān)鍵要素。我們是第一個(gè)顯示可測量的一致性時(shí)間的設(shè)備 - 量子比特的主要指標(biāo) - 足以讓人類控制。“

還有其他14位合著者，包括Jarillo-Herrero小組的研究生Daniel Rodan-Legrain，他與Wang的工作同等貢獻(xiàn); 來自RLE，物理系，電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)系以及林肯實(shí)驗(yàn)室的麻省理工學(xué)院研究人員; 和來自ÉcolePolytechnique的輻照固體實(shí)驗(yàn)室和材料科學(xué)研究所的先進(jìn)材料實(shí)驗(yàn)室的研究人員。

原始的石墨烯三明治

超導(dǎo)量子位依賴于稱為“約瑟夫森結(jié)”的結(jié)構(gòu)，其中絕緣體(通常是氧化物)夾在兩種超導(dǎo)材料(通常是鋁)之間。在傳統(tǒng)的可調(diào)諧量子比特設(shè)計(jì)中，電流回路產(chǎn)生小磁場，導(dǎo)致電子在超導(dǎo)材料之間來回跳躍，導(dǎo)致量子位切換狀態(tài)。

但是這種流動(dòng)的電流消耗大量能量并導(dǎo)致其他問題。最近，一些研究小組已經(jīng)用石墨烯取代了絕緣體，石墨烯是一種原子厚度的碳層，大量生產(chǎn)成本低廉，具有獨(dú)特的性質(zhì)，可以實(shí)現(xiàn)更快，更有效的計(jì)算。

為了制造他們的量子比特，研究人員轉(zhuǎn)向了一類材料，稱為范德瓦爾斯材料 - 原子薄材料，可以像樂高積木一樣堆疊在一起，幾乎沒有阻力或損壞。這些材料可以以特定方式堆疊以創(chuàng)建各種電子系統(tǒng)。盡管表面質(zhì)量近乎無瑕疵，但只有少數(shù)研究小組曾將范德瓦爾斯材料應(yīng)用于量子電路，而之前沒有一個(gè)研究小組表現(xiàn)出時(shí)間相干性。

對(duì)于他們的約瑟夫森結(jié)，研究人員在一層稱為六角形氮化硼(hBN)的范德瓦爾斯絕緣體的兩層之間夾著一片石墨烯。重要的是，石墨烯具有接觸的超導(dǎo)材料的超導(dǎo)性?？梢允褂眠x定的范德瓦爾斯材料來使用電壓來引導(dǎo)電子，而不是傳統(tǒng)的基于電流的磁場。因此，石墨烯也是如此 - 整個(gè)量子比特也是如此。

當(dāng)電壓施加到量子位時(shí)，電子在由石墨烯連接的兩個(gè)超導(dǎo)引線之間來回反彈，將量子位從地(0)改變?yōu)榧ぐl(fā)或疊加態(tài)(1)。底部hBN層用作承載石墨烯的基底。頂部hBN層封裝石墨烯，保護(hù)其免受任何污染。由于材料非常純凈，因此行進(jìn)的電子不會(huì)與缺陷相互作用。這代表了量子比特的理想“彈道傳輸”，其中大部分電子從一個(gè)超導(dǎo)引線移動(dòng)到另一個(gè)超導(dǎo)引線而沒有雜質(zhì)散射，從而快速，精確地改變狀態(tài)。

電壓如何幫助

Wang說，這項(xiàng)工作可以幫助解決量子比特“縮放問題”。目前，單個(gè)芯片上只能容納約1,000個(gè)量子比特。由于數(shù)百萬量子比特開始被填充在單個(gè)芯片上，因此由電壓控制的量子位將是特別重要的。“如果沒有電壓控制，你也需要數(shù)千或數(shù)百萬個(gè)電流回路，這會(huì)占用大量空間并導(dǎo)致能量耗散，”他說。

此外，電壓控制意味著更高的效率和更加局部化，精確定位芯片上的各個(gè)量子位，而不會(huì)產(chǎn)生“串?dāng)_”。當(dāng)電流產(chǎn)生的一小部分磁場干擾其未定位的量子位時(shí)會(huì)發(fā)生這種情況。計(jì)算問題。

目前，研究人員的量子比特有短暫的壽命。作為參考，傳統(tǒng)的超導(dǎo)量子比特具有實(shí)際應(yīng)用的前景，它記錄了幾十微秒的相干時(shí)間，比研究人員的量子比特大幾百倍。

但研究人員已經(jīng)在解決造成這種短暫壽命的幾個(gè)問題，其中大多數(shù)都需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)修改。他們還使用他們新的相干探測方法來進(jìn)一步研究電子如何圍繞量子位彈道移動(dòng)，目的是擴(kuò)展量子位的一致性。