麻省理工学院及其合作团队首次记录了石墨烯量子位的相干时间

[据物理学组织网站2018年12月31日报道]  麻省理工学院及其合作团队的研究人员首次记录了石墨烯量子位的相干时间即量子能够维持两种逻辑状态的时间。基于石墨烯的量子位，代表了量子计算向前迈出了关键的一步。

超导量子位是一种人造原子，它采用各种方法产生量子位信息，这是量子计算机的基本组成。类似于传统计算机的二进制计算，量子位可以保持二进制对应的两种状态之一，即0或1。但是，量子位也可以同时保持两种状态的叠加，这使得量子计算机可以解决传统计算机不能够解决的复杂问题。

量子位保持叠加状态的时间称为它们的相干时间，相干时间越长，量子位计算复杂问题的能力就越强。

最近，研究人员成功的将石墨烯集成到了超导量子计算设备中，有望实现更快、更高效的计算。然而，到目前为止，这些量子位还没有相干性的记录，因此它们是否适用于量子计算还是未知数。

在《Nature Nanotechnology》上发表的一篇论文中，研究人员首次展示了由石墨烯及异质材料制成的相干量子位。通过施加电压能使量子位改变状态，就像传统电脑芯片中的晶体管一样，但却不同于其他类型的超导量子位。此外，研究人员还给出了量子位回到基态所需的时间，记录为55纳秒。

这项研究的合著者还包括：William D. Oliver，林肯实验室的物理学教授，主要研究量子计算系统；Pablo Jarillo-Herrero，麻省理工学院物理学教授，主要研究石墨烯的创新。

论文的第一作者，麻省理工学院电子研究实验室奥利弗团队的博士后Joel I-Jan Wang讲：“我们的动机是利用石墨烯的独特性能来提高超导量子位的性能。在这项工作中，我们首次展示了石墨烯超导量子位的量子相干时间，这是构造量子电路的关键。我们的设备同样可以测量相干时间-量子位的指标-这足够人类控制。”

其他14位合著者包括：Daniel Rodan-Legrain，来自Jarillo-Herrero小组的研究生，与Joel I-Jan Wang一起为这项工作做出了贡献；麻省理工学院物理系、电气工程和计算机科学系、林肯实验室的研究人员；巴黎综合理工学院辐照固体实验室、国家材料科学研究所先进材料实验的研究人员。

原始的石墨烯“三明治”结构

超导量子位依赖于一种被称为“约瑟夫森结”的结构，绝缘体(通常是氧化物)夹在两种超导材料(通常是铝)之间。在传统量子位设计中，电流回路产生一个磁场，使电子在超导材料之间来回跳跃，导致量子位的状态转换。

但这种电流回路消耗了大量的能量并导致了一系列的问题。最近，一些研究小组用石墨烯取代了绝缘体，石墨烯是一种仅有原子厚度的碳层，成本低廉，而且具有独特的性能，可以实现更快、更高效的计算。

为了制造石墨烯量子位，研究人员将目光转向了范德瓦尔斯材料—— 一种原子级别的材料，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的方式堆叠起来，形成各种电子系统。尽管范德瓦尔斯材料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展示过范德瓦尔斯材料的相干时间。

在约瑟夫森结中，研究人员将一片石墨烯夹在范德瓦尔斯绝缘体的两层之间，这两层绝缘体被称为六方氮化硼(hBN)。重要的是，石墨烯具有所接触超导材料的超导性。所选的范德瓦尔斯材料可以利用电压引导电子，代替了传统的基于电流的磁场。因此，石墨烯及石墨烯量子位也可以利用电压引导电子。

当电压作用于量子位时，电子在石墨烯连接的两个超导体之间来回弹跳，将量子位从基态(0)改变为激发态或叠加态(1)。底部的六方氮化硼层作为承载石墨烯的基质，顶部的六方氮化硼层封装了石墨烯，保护它不受任何污染。由于材料始终保持原始状态，行进中的电子从不会与缺陷相互作用。这表现出了理想的“弹道传输”量子位，大多数电子在传导过程中不会与杂质发生散射，从而使状态发生快速、精确的变化。

电压控制有什么帮助？

这项工作还可以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，而数以百万计的电压控制量子位可以被集成到一块芯片上。如果没有电压控制，还需要成千上万的电流回路，这将占用大量的空间，导致能量耗散。

此外，电压控制意味着更高效以及对芯片上单个量子位更局部、更精确的定位。避免了串扰的发生，当电流产生的磁场干扰到一个它没有瞄准的量子位时，就会发生串扰情况，从而导致计算问题。

目前，研究人员所研发的量子位的寿命都很短。作为参考，传统超导量子位具有实际应用前景，记录的相干时间有几十微秒，是这项研究量子位相干时间的数百倍。

但是研究人员已经解决了一些导致量子位寿命短的问题，其中大多数需要在结构上进行修改。他们也在使用新的相干探测方法来进一步研究电子在量子位的周围如何进行弹射运动，目的是扩展量子位的相干性。（工业和信息化部电子第一研究所  李茜楠）

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