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量子计算迈出了关键一步!首次测录了石墨烯量子位的“寿命”!

2019-01-01  懒人葛优瘫

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位元的“时间一致性”——即它能够维持一种特殊状态,使其能够同时代表两种逻辑状态的时间长度。该演示使用了一种新基于石墨烯的量子位,代表着实际量子计算向前迈出了关键一步。超导量子比特(简写为量子位)是一种人工原子,它使用各种方法产生量子信息比特,这是量子计算机的基本组成部分。与计算机中传统的二进制电路相似,量子位可以保持与经典二进制位相对应的两种状态之一,即0或1。但是这些量子位元也可以同时是两种状态的叠加,这可以让量子计算机解决传统计算机实际上不可能解决的复杂问题。

量子计算迈出了关键一步!首次测录了石墨烯量子位的“寿命”!

博科园-科学科普:这些量子位保持这种叠加状态的时间称为它们的“相干时间”。相干时间越长,量子比特计算复杂问题的能力越大。最近研究人员已经将石墨烯材料应用到超导量子计算设备中,这些设备有望提供更快、更高效的计算以及其他好处。然而到目前为止,这些高级量子位元还没有记录到相干性,所以还不知道它们是否适用于实际的量子计算。在2018年12月31日发表在《自然-纳米技术》上的一篇论文中,研究人员首次展示了由石墨烯和外来材料制成的相干量子位。这些材料使量子位能够通过电压改变状态,就像今天传统计算机芯片中的晶体管一样——与大多数其他类型的超导量子位不同。

量子计算迈出了关键一步!首次测录了石墨烯量子位的“寿命”!

这种可视化显示了用于薄膜的石墨烯层。图片: University of Manchester

此外研究人员还给这种相干性设定了一个数字,使其达到55纳秒,然后量子位元才回到基态。这项研究的共同作者威廉·d·奥利弗(William D. Oliver)是实践物理学教授,也是林肯实验室的研究员,他的工作重点是量子计算系统,巴勃罗·贾利洛-埃雷罗(Pablo Jarillo-Herrero)是麻省理工学院(MIT)塞西尔和艾达·格林(Ida Green)物理学教授,研究石墨烯的创新。麻省理工学院电子研究实验室(RLE)奥利弗团队的博士后,第一作者乔尔·i -简·王(Joel I-Jan Wang)说:我们的动机是利用石墨烯独特特性来提高超导量子位的性能。

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在这项工作中,我们首次证明石墨烯制成的超导量子比特是时间量子相干,这是构建更复杂量子电路的关键。装置是第一个显示可测量相干时间的装置(一个量子位的主要度量标准)足够长到人类可以控制。还有其他14位合著者,包括Daniel Rodan-Legrain, Jarillo-Herrero团队的一名研究生,他与Wang共同完成了这项工作,麻省理工学院的研究人员来自RLE,物理系,电气工程和计算机科学系,林肯实验室;来自理工学院辐照固体实验室和国家材料科学研究所高级材料实验室的研究人员。

原始石墨烯

超导量子位依赖于一种被称为“约瑟夫森结”结构,绝缘体(通常是氧化物)夹在两种超导材料(通常是铝)之间。在传统的可调量子位设计中,电流回路产生一个小磁场,导致电子在超导材料之间来回跳跃,导致量子位交换状态。但这种流动的电流消耗了大量的能源,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,成本低廉,易于批量生产,而且具有独特的性能,可能使计算速度更快、效率更高。为了制造量子位,研究人员求助于一种叫做范德华材料的材料——原子般薄的材料,可以像乐高积木一样堆叠在一起,几乎没有阻力或损伤。

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这些材料可以以特定的方式堆叠起来,形成各种电子系统。尽管范德瓦尔斯的表面质量近乎完美无瑕,但只有少数研究小组将范德瓦尔斯材料应用于量子电路,此前也没有任何一个研究小组显示出时间相干性。为了实现约瑟夫森结,研究人员在范德瓦耳斯绝缘体(hBN)的两层之间夹了一块石墨烯。重要的是,石墨烯所接触的超导材料具有超导性。选择的范德瓦耳斯材料可以用电压来引导电子,而不是传统的基于电流的磁场。因此,石墨烯也可以,整个量子位也可以。

量子计算迈出了关键一步!首次测录了石墨烯量子位的“寿命”!

当电压作用于量子位时,电子在石墨烯连接的两个超导引线之间来回弹跳,将量子位从基态(0)改变为激发态或叠加态(1),底层的hBN层作为承载石墨烯的基底。顶部的hBN层封装了石墨烯,保护其不受任何污染。由于材料是如此原始,行进中的电子从不与缺陷相互作用。这代表了理想的量子位元“弹道传输”,大多数电子从一个超导传导到另一个超导,而不会与杂质发生散射,从而使状态发生快速、精确的变化。

电压如何起作用?

这项研究可以帮助解决量子位“缩放问题”,目前一块芯片只能容纳大约1000个量子位。有电压控制的量子位元将特别重要,因为数以百万计的量子位元开始被塞在一个芯片上。如果没有电压控制,还需要成千上万的电流回路,这会占用大量空间,导致能量耗散。此外电压控制意味着更大的效率和更本地化,更精确的定位单个量子位在芯片上,没有“串扰”。当电流产生的磁场干扰到一个它没有瞄准的量子位时,就会发生这种情况,从而导致计算问题。

量子计算迈出了关键一步!首次测录了石墨烯量子位的“寿命”!

目前研究人员的量子位的寿命很短。作为参考,传统超导量子位具有实际应用前景,记录的相干时间只有几十微秒,是研究人员量子位的数百倍。但是研究人员已经解决了一些导致寿命短的问题,其中大多数需要结构上的修改。研究人员也在使用新的相干探测方法来进一步研究电子如何在量子位元周围弹射运动,目的是扩展一般量子位元的相干性。

博科园-科学科普|研究/来自:麻省理工学院

参考期刊文献:《Nature Nanotechnology》

论文DOI: 10.1038/s41565-018-0329-2

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