物理学家记录了石墨烯量子位的时间相干性

麻省理工学院和其他地方的研究人员已经记录了石墨烯量子位的“时间相干性”，即石墨烯保持一种特殊状态能使它同时表示两个逻辑状态的时间，这标志着实用量子计算迈出了关键的一步。

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的“时间相干性”，这意味着它可以维持一种特殊状态多长时间，以使其能够同时表示两个逻辑状态。研究人员说，该演示使用了一种新型的基于石墨烯的量子位，代表了实用量子计算向前迈出的关键一步。

超导量子位（简称为量子位）是人造原子，它们使用各种方法来产生量子信息的位，量子信息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，qubit可以维持对应于经典二进制位0或1的两个状态之一。但是这些量子位也可以同时是两个状态的叠加，这可以使量子计算机解决实际上对于传统计算机而言是不可能的复杂问题。

这些量子位停留在此叠加状态的时间称为“相干时间”。相干时间越长，量子位计算复杂问题的能力就越大。

最近，研究人员已将基于石墨烯的材料整合到超导量子计算设备中，从而有望实现更快，更高效的计算以及其他好处。但是，到目前为止，这些高级量子比特还没有记录的一致性，因此不知道它们对于实际的量子计算是否可行。

在今天发表在《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比特。这些材料使qubit可以通过电压改变状态，这与当今传统计算机芯片中的晶体管非常相似，并且不同于大多数其他类型的超导qubit。此外，研究人员在qubit返回其基态之前，对这种一致性进行了编号，以55纳秒的频率进行计时。

这项工作结合了该实践的物理学教授威廉·D·奥利弗（William D. Oliver）和专注于量子计算系统的林肯实验室研究员以及麻省理工学院塞西尔和艾达·格林物理学教授Pablo Jarillo-Herrero共同研究创新的专业知识在石墨烯中。

第一作者，麻省理工学院电子研究实验室（RLE）的Oliver研究组博士后Joel I-Jan Wang说：“我们的动机是利用石墨烯的独特性能来改善超导量子位的性能。”“在这项工作中，我们首次证明了由石墨烯制成的超导量子位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条件。我们的设备是第一个显示可测量的相干时间（量子位的主要指标）的设备，该时间足以供人类控制。”

另外还有14位合著者，其中包括Jarillo-Herrero小组的研究生Daniel Rodan-Legrain，他们为与Wang的工作做出了同等贡献；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MIT研究人员；来自ÉcolePolytechnique辐照固体实验室和美国国家材料科学研究所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“约瑟夫逊结”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，电流环路会产生一个小的磁场，导致电子在超导材料之间来回跳动，从而导致量子比特切换状态。

但是，这种流动的电流会消耗大量能量并引起其他问题。最近，一些研究小组已用石墨烯代替了绝缘子，石墨烯是一种原子厚的碳层，可大量生产且价格低廉，并且具有独特的特性，可实现更快，更高效的计算。

为了制造他们的量子比特，研究人员求助于一类称为范德华斯材料的材料-原子稀薄的材料，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。尽管它们的表面质量几乎完美无瑕，但只有少数研究小组将范德华材料应用于量子电路，而且以前没有研究表明它们具有时间相干性。

对于约瑟夫森结，研究人员将一片石墨烯夹在称为六方氮化硼（hBN）的范德华绝缘子的两层之间。重要的是，石墨烯具有它所接触的超导材料的超导性。可以使用电压而不是传统的基于电流的磁场来制造选定的范德华材料，以将电子吸引到周围。因此，石墨烯也可以，整个量子位也可以。

当电压施加到量子位时，电子在通过石墨烯连接的两个超导引线之间来回反弹，从而将量子位从基态（0）更改为激发态或叠加态（1）。底部的hBN层用作承载石墨烯的衬底。hBN顶层封装了石墨烯，保护其不受任何污染。因为材料是如此原始，所以行进的电子永远不会与缺陷发生相互作用。这代表了量子位的理想“弹道输运”，其中大多数电子从一种超导导线移动到另一超导导线而不会被杂质散射，从而快速，精确地改变状态。

电压如何提供帮助

Wang说，这项工作可以帮助解决qubit的“扩展问题”。目前，单个芯片上只能容纳约1,000 qubit。由于数百万个量子位开始挤在单个芯片上，因此由电压控制量子位将特别重要。他说：“没有电压控制，您还需要成千上万的电流环路，这会占用大量空间并导致能量耗散。”

另外，电压控制意味着更高的效率和更局部，更精确地定位芯片上的单个qubit，而无需“串扰”。当电流产生的一点磁场干扰它未瞄准的量子比特时，就会发生计算问题。

目前，研究人员的量子比特寿命很短。作为参考，传统的超导量子位具有可实现实际应用的潜力，其相干时间记录了几十微秒，比研究人员的量子位大数百倍。

但是研究人员已经在解决导致寿命短的几个问题，其中大多数都需要进行结构上的修改。他们还使用新的相干探测方法进一步研究电子如何在量子位周围弹道运动，目的通常是扩展量子位的相干性。

出版物：Joel I-Jan Wang等，“基于石墨烯的范德华异质结构制成的混合超导电路的相干控制”，《自然纳米技术》（2018年）