电子-固体-氖量子比特的图。图片来源：Wei Guo

量子计算机有可能成为革命性的工具，因为它们能够执行经典计算机需要多年才能解决的计算。

但是，要制造一台有效的量子计算机，你需要一个可靠的量子比特，或者说量子比特，它可以同时以0或1的状态存在足够长的时间，称为其相干时间。

一种很有前途的方法是将单个电子捕获在固体氖表面上，称为固体氖量子比特。由FAMU-FSU工程学院教授Wei Guo领导的一项研究发表在《物理评论快报》上，显示了对量子态的新见解，该量子态描述了这种量子比特上的电子条件，这些信息可以帮助工程师构建这项创新技术。

郭的团队发现，量子比特中固体氖表面的小凸起可以自然地结合电子，从而产生这些电子的环形量子态。量子态是指电子在被测量之前的各种性质，如位置、动量和其他特性。当凸起达到一定大小时，电子的跃迁能（电子从一个量子环态移动到另一个量子环态所需的能量）与微波光子（另一种基本粒子）的能量一致。

这种排列允许对电子进行受控操作，这是量子计算所必需的。

“这项工作大大推进了我们对有前途的量子计算平台上电子捕获机制的理解，”郭说。“它不仅澄清了令人费解的实验观察结果，而且还为电子-固体-氖量子比特的设计、优化和控制提供了重要的见解。

Guo及其合作者之前的工作证明了使用捕获在固体氖上的电子的固态单电子量子比特平台的可行性。最近的研究表明，相干时间高达0.1毫秒，比传统的基于半导体和基于超导体的电荷量子比特的典型相干时间1微秒长100倍。

相干时间决定了量子系统可以保持叠加状态的时间，即系统在被测量之前同时处于多种状态的能力，这是赋予量子计算机独特能力的一个特征。

固体氖量子比特的电子相干时间延长可归因于固体氖的惰性和纯度。该量子比特系统还解决了液体表面振动的问题，这是更广泛研究的液氦电子量子比特所固有的问题。目前的研究为进一步优化电子-固体-氖量子比特提供了重要的见解。

该优化的一个关键部分是创建量子比特，这些量子比特在大多数固体霓虹灯表面上是平滑的，但在需要的地方具有适当大小的凸起。设计人员希望表面上自然发生的凸起最小，从而吸引破坏性的背景电荷。同时，在量子比特上的微波谐振器内故意制造正确尺寸的凸起可以提高捕获电子的能力。

“这项研究强调了进一步研究不同条件如何影响氖量子比特制造的迫切需要，”郭说。“氖气注入温度和压力会影响最终的量子比特产品。我们对这个过程的控制越多，我们就能建立得越精确，我们就越接近量子计算，可以解决目前无法管理的计算。

这篇论文的合著者是FSU物理系的前研究生Toshiaki Kanai和圣母大学副教授Dafei Jin。

更多信息：Toshiaki Kanai 等人，基于固体氖表面量子环态的单电子量子比特，物理评论快报 （2024）。DOI： 10.1103/PhysRevLett.132.250603

期刊信息： Physical Review Letters