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量子計算邁出了關鍵一步!首次測錄石墨烯量子位的「壽命」!


博科園麻省理工學院和其他地方的研究人員首次記錄了石墨烯量子位元的「時間一致性」——即它能夠維持一種特殊狀態,使其能夠同時代表兩種邏輯狀態的時...

- 2019年2月09日17時31分
- 科學文摘 / 博科園

博科園

麻省理工學院和其他地方的研究人員首次記錄了石墨烯量子位元的「時間一致性」——即它能夠維持一種特殊狀態,使其能夠同時代表兩種邏輯狀態的時間長度。該演示使用了一種新基於石墨烯的量子位,代表著實際量子計算向前邁出了關鍵一步。超導量子比特(簡寫為量子位)是一種人工原子,它使用各種方法產生量子信息比特,這是量子計算機的基本組成部分。與計算機中傳統的二進位電路相似,量子位可以保持與經典二進位位相對應的兩種狀態之一,即0或1。但是這些量子位元也可以同時是兩種狀態的疊加,這可以讓量子計算機解決傳統計算機實際上不可能解決的複雜問題。

博科園-科學科普:這些量子位保持這種疊加狀態的時間稱為它們的「相干時間」。相干時間越長,量子比特計算複雜問題的能力越大。最近研究人員已經將石墨烯材料應用到超導量子計算設備中,這些設備有望提供更快、更高效的計算以及其他好處。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於實際的量子計算。在2018年12月31日發表在《自然-納米技術》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製成的相干量子位。這些材料使量子位能夠通過電壓改變狀態,就像今天傳統計算機晶片中的電晶體一樣——與大多數其他類型的超導量子位不同。


這種可視化顯示了用於薄膜的石墨烯層。圖片: University of Manchester

此外研究人員還給這種相干性設定了一個數字,使其達到55納秒,然後量子位元才回到基態。這項研究的共同作者威廉·d·奧利弗(William D. Oliver)是實踐物理學教授,也是林肯實驗室的研究員,他的工作重點是量子計算系統,巴勃羅·賈利洛-埃雷羅(Pablo Jarillo-Herrero)是麻省理工學院(MIT)塞西爾和艾達·格林(Ida

Green)物理學教授,研究石墨烯的創新。麻省理工學院電子研究實驗室(RLE)奧利弗團隊的博士後,第一作者喬爾·i -簡·王(Joel I-Jan Wang)說:我們的動機是利用石墨烯獨特特性來提高超導量子位的性能。

在這項工作中,我們首次證明石墨烯製成的超導量子比特是時間量子相干,這是構建更複雜量子電路的關鍵。裝置是第一個顯示可測量相干時間的裝置(一個量子位的主要度量標準)足夠長到人類可以控制。還有其他14位合著者,包括Daniel Rodan-Legrain,

Jarillo-Herrero團隊的一名研究生,他與Wang共同完成了這項工作,麻省理工學院的研究人員來自RLE,物理系,電氣工程和計算機科學系,林肯實驗室;來自理工學院輻照固體實驗室和國家材料科學研究所高級材料實驗室的研究人員。

原始石墨烯


超導量子位依賴於一種被稱為「約瑟夫森結」結構,絕緣體(通常是氧化物)夾在兩種超導材料(通常是鋁)之間。在傳統的可調量子位設計中,電流迴路產生一個小磁場,導致電子在超導材料之間來回跳躍,導致量子位交換狀態。但這種流動的電流消耗了大量的能源,並導致其他問題。最近一些研究小組已經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,易於批量生產,而且具有獨特的性能,可能使計算速度更快、效率更高。為了製造量子位,研究人員求助於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。儘管范德瓦爾斯的表面質量近乎完美無瑕,但只有少數研究小組將范德瓦爾斯材料應用於量子電路,此前也沒有任何一個研究小組顯示出時間相干性。為了實現約瑟夫森結,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材料具有超導性。選擇的范德瓦耳斯材料可以用電壓來引導電子,而不是傳統的基於電流的磁場。因此,石墨烯也可以,整個量子位也可以。

當電壓作用於量子位時,電子在石墨烯連接的兩個超導引線之間來回彈跳,將量子位從基態(0)改變為激發態或疊加態(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,保護其不受任何污染。由於材料是如此原始,行進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」,大多數電子從一個超導傳導到另一個超導,而不會與雜質發生散射,從而使狀態發生快速、精確的變化。

電壓如何起作用?

這項研究可以幫助解決量子位「縮放問題」,目前一塊晶片只能容納大約1000個量子位。有電壓控制的量子位元將特別重要,因為數以百萬計的量子位元開始被塞在一個晶片上。如果沒有電壓控制,還需要成千上萬的電流迴路,這會占用大量空間,導致能量耗散。此外電壓控制意味著更大的效率和更本地化,更精確的定位單個量子位在晶片上,沒有「串擾」。當電流產生的磁場干擾到一個它沒有瞄準的量子位時,就會發生這種情況,從而導致計算問題。


目前研究人員的量子位的壽命很短。作為參考,傳統超導量子位具有實際應用前景,記錄的相干時間只有幾十微秒,是研究人員量子位的數百倍。但是研究人員已經解決了一些導致壽命短的問題,其中大多數需要結構上的修改。研究人員也在使用新的相干探測方法來進一步研究電子如何在量子位元周圍彈射運動,目的是擴展一般量子位元的相干性。

博科園-科學科普|研究/來自:麻省理工學院

參考期刊文獻:《Nature Nanotechnology》

論文DOI: 10.1038/s41565-018-0329-2

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