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位元的“時(shí)間一致性”——即它能夠維持一種特殊狀態(tài)，使其能夠同時(shí)代表兩種邏輯狀態(tài)的時(shí)間長度。該演示使用了一種新基于石墨烯的量子位，代表著實(shí)際量子計(jì)算向前邁出了關(guān)鍵一步。超導(dǎo)量子比特(簡寫為量子位)是一種人工原子，它使用各種方法產(chǎn)生量子信息比特，這是量子計(jì)算機(jī)的基本組成部分。與計(jì)算機(jī)中傳統(tǒng)的二進(jìn)制電路相似，量子位可以保持與經(jīng)典二進(jìn)制位相對應(yīng)的兩種狀態(tài)之一，即0或1。但是這些量子位元也可以同時(shí)是兩種狀態(tài)的疊加，這可以讓量子計(jì)算機(jī)解決傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)實(shí)際上不可能解決的復(fù)雜問題。

博科園-科學(xué)科普：這些量子位保持這種疊加狀態(tài)的時(shí)間稱為它們的“相干時(shí)間”。相干時(shí)間越長，量子比特計(jì)算復(fù)雜問題的能力越大。最近研究人員已經(jīng)將石墨烯材料應(yīng)用到超導(dǎo)量子計(jì)算設(shè)備中，這些設(shè)備有望提供更快、更高效的計(jì)算以及其他好處。然而到目前為止，這些高級量子位元還沒有記錄到相干性，所以還不知道它們是否適用于實(shí)際的量子計(jì)算。在2018年12月31日發(fā)表在《自然-納米技術(shù)》上的一篇論文中，研究人員首次展示了由石墨烯和外來材料制成的相干量子位。這些材料使量子位能夠通過電壓改變狀態(tài)，就像今天傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)芯片中的晶體管一樣——與大多數(shù)其他類型的超導(dǎo)量子位不同。

這種可視化顯示了用于薄膜的石墨烯層。圖片：UniversityofManchester此外研究人員還給這種相干性設(shè)定了一個(gè)數(shù)字，使其達(dá)到55納秒，然后量子位元才回到基態(tài)。這項(xiàng)研究的共同作者威廉·d·奧利弗(WilliamD.Oliver)是實(shí)踐物理學(xué)教授，也是林肯實(shí)驗(yàn)室的研究員，他的工作重點(diǎn)是量子計(jì)算系統(tǒng)，巴勃羅·賈利洛-埃雷羅(PabloJarillo-Herrero)是麻省理工學(xué)院(MIT)塞西爾和艾達(dá)·格林(IdaGreen)物理學(xué)教授，研究石墨烯的創(chuàng)新。麻省理工學(xué)院電子研究實(shí)驗(yàn)室(RLE)奧利弗團(tuán)隊(duì)的博士后，第一作者喬爾·i-簡·王(JoelI-JanWang)說：我們的動(dòng)機(jī)是利用石墨烯獨(dú)特特性來提高超導(dǎo)量子位的性能。

在這項(xiàng)工作中，我們首次證明石墨烯制成的超導(dǎo)量子比特是時(shí)間量子相干，這是構(gòu)建更復(fù)雜量子電路的關(guān)鍵。裝置是第一個(gè)顯示可測量相干時(shí)間的裝置（一個(gè)量子位的主要度量標(biāo)準(zhǔn)）足夠長到人類可以控制。還有其他14位合著者，包括DanielRodan-Legrain,Jarillo-Herrero團(tuán)隊(duì)的一名研究生，他與Wang共同完成了這項(xiàng)工作，麻省理工學(xué)院的研究人員來自RLE，物理系，電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)系，林肯實(shí)驗(yàn)室;來自理工學(xué)院輻照固體實(shí)驗(yàn)室和國家材料科學(xué)研究所高級材料實(shí)驗(yàn)室的研究人員。

原始石墨烯

超導(dǎo)量子位依賴于一種被稱為“約瑟夫森結(jié)”結(jié)構(gòu)，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)量子位設(shè)計(jì)中，電流回路產(chǎn)生一個(gè)小磁場，導(dǎo)致電子在超導(dǎo)材料之間來回跳躍，導(dǎo)致量子位交換狀態(tài)。但這種流動(dòng)的電流消耗了大量的能源，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，成本低廉，易于批量生產(chǎn)，而且具有獨(dú)特的性能，可能使計(jì)算速度更快、效率更高。為了制造量子位，研究人員求助于一種叫做范德華材料的材料——原子般薄的材料，可以像樂高積木一樣堆疊在一起，幾乎沒有阻力或損傷。

這些材料可以以特定的方式堆疊起來，形成各種電子系統(tǒng)。盡管范德瓦爾斯的表面質(zhì)量近乎完美無瑕，但只有少數(shù)研究小組將范德瓦爾斯材料應(yīng)用于量子電路，此前也沒有任何一個(gè)研究小組顯示出時(shí)間相干性。為了實(shí)現(xiàn)約瑟夫森結(jié)，研究人員在范德瓦耳斯絕緣體(hBN)的兩層之間夾了一塊石墨烯。重要的是，石墨烯所接觸的超導(dǎo)材料具有超導(dǎo)性。選擇的范德瓦耳斯材料可以用電壓來引導(dǎo)電子，而不是傳統(tǒng)的基于電流的磁場。因此，石墨烯也可以，整個(gè)量子位也可以。

當(dāng)電壓作用于量子位時(shí)，電子在石墨烯連接的兩個(gè)超導(dǎo)引線之間來回彈跳，將量子位從基態(tài)(0)改變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)或疊加態(tài)(1)，底層的hBN層作為承載石墨烯的基底。頂部的hBN層封裝了石墨烯，保護(hù)其不受任何污染。由于材料是如此原始，行進(jìn)中的電子從不與缺陷相互作用。這代表了理想的量子位元“彈道傳輸”，大多數(shù)電子從一個(gè)超導(dǎo)傳導(dǎo)到另一個(gè)超導(dǎo)，而不會(huì)與雜質(zhì)發(fā)生散射，從而使?fàn)顟B(tài)發(fā)生快速、精確的變化。

電壓如何起作用？

這項(xiàng)研究可以幫助解決量子位“縮放問題”，目前一塊芯片只能容納大約1000個(gè)量子位。有電壓控制的量子位元將特別重要，因?yàn)閿?shù)以百萬計(jì)的量子位元開始被塞在一個(gè)芯片上。如果沒有電壓控制，還需要成千上萬的電流回路，這會(huì)占用大量空間，導(dǎo)致能量耗散。此外電壓控制意味著更大的效率和更本地化，更精確的定位單個(gè)量子位在芯片上，沒有“串?dāng)_”。當(dāng)電流產(chǎn)生的磁場干擾到一個(gè)它沒有瞄準(zhǔn)的量子位時(shí)，就會(huì)發(fā)生這種情況，從而導(dǎo)致計(jì)算問題。

目前研究人員的量子位的壽命很短。作為參考，傳統(tǒng)超導(dǎo)量子位具有實(shí)際應(yīng)用前景，記錄的相干時(shí)間只有幾十微秒，是研究人員量子位的數(shù)百倍。但是研究人員已經(jīng)解決了一些導(dǎo)致壽命短的問題，其中大多數(shù)需要結(jié)構(gòu)上的修改。研究人員也在使用新的相干探測方法來進(jìn)一步研究電子如何在量子位元周圍彈射運(yùn)動(dòng)，目的是擴(kuò)展一般量子位元的相干性。