冰上囚禁电子 提升量子比特

现在，你一定是在一台基本信息单位是经典比特（0或1）的数字设备上阅读这篇文章。而全世界的科学家都在开发一种基于量子比特的新型计算机，在这种设备上，量子比特可以同时为0和1。依靠量子比特，量子计算机理论上可以解决经典计算机无法解决的一些问题。

量子比特依赖于量子力学的一种奇异性质，即电子、原子和宇宙的其他组成部分可以以叠加的状态存在，在这种状态下，它们同时向两个相反的方向旋转，或者同时存在于两个或更多的地方。通过将许多量子比特叠加，量子计算机理论上可以同时执行数量惊人的计算。

近年来，亚马逊、谷歌、IBM等公司都在竞相利用各种量子比特平台创造实用的量子计算机，如超导线圈、离子阱和硅中自旋。然而，所有的量子比特在遭遇外界干扰时都异常脆弱。这阻碍了量子计算机走向现实世界。

在一项新研究中，为了创造一个不受环境干扰的固态量子比特，美国能源部阿贡国家实验室研究员金达飞带领的团队及合作者以氖为载体进行了实验，即在真空中将单个电子捕获到氖冰表面来构造量子比特。他们首先将氖冻结成固体，然后将加热的灯丝产生的电子向氖冰表面喷射，这样一来，氖冰表面可以捕获一个电子并保持几乎任意长时间，形成新型量子比特。与传统量子比特相比，这种量子比特受到的干扰很少，因此要更加稳定，有望被用作量子计算机的理想构建块。

这项研究发表在最新一期《自然》杂志上：

Nature论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-04539-x

arXiv论文链接：https://arxiv.org/pdf/2106.10326.pdf

氖是一种像氦一样的惰性气体，几乎从不与其他元素发生反应，这使其成为量子比特的理想宿主。当温度低于大约零下248.6摄氏度，压力超过0.42个大气压时，氖会冻结成固体。由惰性气体冻结成的固体是自然界中惰性最高、最纯净的固体，可以保护量子比特不受环境干扰。

虽然量子比特类型有很多选择，但在这篇Nature论文中，研究人员选择了最简单的量子比特之一——单电子。他们在绝对零度以上百分之一度的温度下将氖冷冻在一块微芯片上，然后用加热的灯丝向它喷射电子。

「当你让单个电子接近氖冰表面时，氖原子中的电子会略微重排，并被这个电子排斥，因为相似的电荷会互相排斥。但由于氖是中性的，这种轻微的电子排斥会导致一个轻微的正电荷的出现，它将单个电子吸附到氖冰表面，」该研究的作者之一、圣路易斯华盛顿大学的量子物理学家Kater Murch说道。

然而，这个电子不能穿过氖冰的表面，因为氖的所有电子能级都被填满了，「所以在实际接触表面的过程中，它是被排斥的」，这个电子会停留在氖冰的顶部。

微芯片的电极可以将困于氖冰的电子保持在原位长达两个多月。芯片上的超导微波谐振器很像一个微观版本的微波炉，通过发射微波来帮助控制和读取量子比特。「它集中了量子比特和微波信号之间的相互作用，使得我们能够测量量子比特的工作情况，」论文