物理学家记录了石墨烯量子比特的寿命

来自麻省理工学院和其他地方的研究人员首次记录了石墨烯量子比特的“时间相干性” - 意味着它可以维持一种特殊状态多久，使其能够同时代表两个逻辑状态。研究人员称，该演示使用了一种新型的基于石墨烯的量子比特，代表了实用量子计算的关键一步。

超导量子比特(简称为量子比特)是人造原子，它们使用各种方法来产生量子信息，这是量子计算机的基本组成部分。类似于计算机中的传统二进制电路，量子位可以保持对应于经典二进制位的两种状态之一，即0或1.但是这些量子位也可以同时是两种状态的叠加，这可以使量子计算机解决复杂的问题，对传统计算机来说几乎是不可能的。

这些量子位保持在这种叠加状态的时间量被称为它们的“相干时间”。相干时间越长，量子比特计算复杂问题的能力就越强。

最近，研究人员已经将基于石墨烯的材料结合到超导量子计算设备中，这些设备承诺更快，更有效的计算，以及其他特权。然而，到目前为止，这些先进的量子比特没有记录的连贯性，因此不知道它们是否适用于实际的量子计算。

在今天发表在Nature Nanotechnology上的一篇论文中，研究人员首次展示了由石墨烯和异国材料制成的连贯量子比特。这些材料使量子比特能够通过电压改变状态，就像当今传统计算机芯片中的晶体管一样 - 并且与大多数其他类型的超导量子比特不同。此外，研究人员在量子位恢复到基态之前，将该数字设置为55纳秒。

这项工作结合了共同作者William Dliver，一位实践的物理学教授和林肯实验室研究员，他的工作重点是量子计算系统，以及Pablo Jarillo-Herrero，麻省理工学院的Cecil和Ida绿色物理教授，研究创新在石墨烯中。

“我们的动机是利用石墨烯的独特性质来改善超导量子比特的性能，”第一作者Joel I-Jan Wang说，他是麻省理工学院电子研究实验室(RLE)Oliver小组的博士后。“在这项工作中，我们首次表明，由石墨烯制成的超导量子比特在时间上是量子相干的，这是构建更复杂的量子电路的关键要素。我们是第一个显示可测量的相干时间的器件 - 一个主要指标量子比特 - 这足以让人类控制。“

还有其他14位合着者，包括Jarillo-Herrero小组的研究生Daniel Rodan-Legrain，他与Wang的工作同等贡献; 来自RLE，物理系，电气工程和计算机科学系以及林肯实验室的麻省理工学院研究人员; 和来自ÉcolePolytechnique的辐照固体实验室和国家材料科学研究所的先进材料实验室的研究人员。

原始的石墨烯三明治

超导量子位依赖于称为“约瑟夫森结”的结构，其中绝缘体(通常是氧化物)夹在两种超导材料(通常是铝)之间。在传统的可调谐量子比特设计中，电流回路产生小磁场，导致电子在超导材料之间来回跳跃，导致量子位切换状态。

但是这种流动的电流消耗大量能量并导致其他问题。最近，一些研究小组已经用石墨烯取代了绝缘体，石墨烯是一种原子厚度的碳层，大量生产成本低廉，具有独特的性质，可以实现更快，更有效的计算。

为了制造他们的量子比特，研究人员转向了一类材料，称为范德瓦尔斯材料 - 原子薄材料，可以像乐高积木一样堆叠在一起，几乎没有阻力或损坏。这些材料可以以特定方式堆叠以创建各种电子系统。尽管表面质量近乎无瑕疵，但只有少数研究小组曾将范德瓦尔斯材料应用于量子电路，而之前没有一个研究小组表现出时间相干性。

对于他们的约瑟夫森结，研究人员在一层称为六角形氮化硼(hBN)的范德瓦尔斯绝缘体的两层之间夹着一片石墨烯。重要的是，石墨烯具有接触的超导材料的超导性。可以使用选定的范德瓦尔斯材料来使用电压来引导电子，而不是传统的基于电流的磁场。因此，石墨烯也是如此 - 整个量子比特也是如此。

当电压施加到量子位时，电子在由石墨烯连接的两个超导引线之间来回反弹，将量子位从地(0)改变为激发或叠加态(1)。底部hBN层用作承载石墨烯的基底。顶部hBN层封装石墨烯，保护其免受任何污染。因为材料是如此纯净，所以行进的电子永远不会与缺陷相互作用。这代表了量子比特的理想“弹道传输”，其中大部分电子从一个超导引线移动到另一个超导引线而没有杂质散射，从而快速，精确地改变状态。

电压如何帮助

Wang说，这项工作可以帮助解决量子比特“缩放问题”。目前，单个芯片上只能容纳约1,000个量子比特。由于数百万量子比特开始被填充在单个芯片上，因此由电压控制的量子位将是特别重要的。“如果没有电压控制，你也需要数千或数百万个电流回路，这会占用大量空间并导致能量耗散，”他说。

此外，电压控制意味着更高的效率和更加局部化，精确定位芯片上的各个量子位，而不会产生“串扰”。当电流产生的一小部分磁场干扰其未定位的量子位时会发生这种情况，从而导致计算问题。

目前，研究人员的量子比特有短暂的寿命。作为参考，传统的超导量子比特具有实际应用的前景，其记录的相干时间为几十微秒，是研究人员的量子比特的几百倍。

但研究人员已经在解决造成这种短暂寿命的几个问题，其中大多数都需要进行结构修改。他们还使用他们新的相干探测方法来进一步研究电子如何围绕量子位弹道移动，目的是扩展量子位的一致性。

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