你用來查看這篇文章的數字設備無疑使用了比特，它可以是0或1作為其基本信息單位。然而，世界各地的科學家正在競相開發一種基於使用量子比特，或稱量子比特的新型計算機，它可以同時為0和1，有朝一日可以解決超越任何經典超級計算機的複雜問題。
由美國能源部（DOE）阿貢國家實驗室的科學家領導的一個研究小組與FAMU-FSU工程學院機械工程副教授郭偉密切合作，宣布創建了一個新的量子比特平台，該平台顯示出被開發成未來量子計算機的巨大前景。他們的工作發表在《自然》雜誌上。
“量子計算機可能是一個革命性的工具，用於執行經典計算機幾乎不可能完成的計算，但要使其成為現實仍有工作要做，”論文共同作者郭說。”通過這項研究，我們認為我們有了一個突破，在製造有助於實現這項技術潛力的量子比特方面有了很大的進展。”
該團隊通過在非常低的溫度下將氖氣冷凍成固體，將燈泡中的電子噴射到固體上，並在那裡捕獲一個電子，從而創造了它的量子位。
FAMU-FSU工程學院的機械工程副教授Wei Guo 資料來源：佛羅里達州立大學
雖然有許多關於量子比特類型的選擇，但該團隊選擇了最簡單的一種–單一電子。加熱一個簡單的燈絲，如你在兒童玩具中發現的燈絲，可以很容易地射出無限的電子。
對於量子比特來說，一個重要的品質是它們能夠在很長一段時間內同時保持0或1的狀態，即所謂的”相干時間”。這個時間是有限的，而這個限制是由量子位與其環境的互動方式決定的。量子比特系統中的缺陷會大大減少相干時間。
出於這個原因，研究小組選擇在真空中的超純固體氖氣表面上捕獲一個電子。氖是僅有的六種惰性元素之一，意味着它不會與其他元素髮生反應。
阿貢科學家和該項目的主要研究人員Jin Dafei說：”由於這種惰性，固體霓虹可以作為真空中最乾淨的固體來承載和保護任何量子比特不被破壞。”
通過使用一個芯片級的超導諧振器–就像一個微型微波爐–該團隊能夠操縱被困的電子，使其能夠讀取和存儲量子比特的信息，從而使其在未來的量子計算機中得到應用。
以前的研究使用液態氦作為容納電子的媒介。這種材料很容易做到沒有缺陷，但是無液體表面的振動很容易干擾電子狀態，從而影響到量子比特的性能。
固體霓虹提供了一種缺陷很少的材料，不會像液態氦那樣振動。在建立了他們的平台之後，該團隊利用微波光子對被困住的電子進行了實時的量子比特操作，並對其量子特性進行了描述。這些測試表明，固體霓虹為電子提供了一個強大的環境，干擾它的電噪聲非常低。最重要的是，該量子比特在量子狀態下達到了與其他最先進的量子比特競爭的相干時間。該量子比特平台的簡單性也應該有助於帶來簡單、低成本的製造過程。
量子計算的前景在於這種下一代技術計算某些問題的能力比經典計算機快得多。研究人員的目標是將長相干時間與多個量子比特聯繫在一起的能力結合起來–即所謂的糾纏。因此，量子計算機可以找到經典計算機需要很多年才能解決的問題的答案。
考慮一個問題，研究人員希望找到由許多氨基酸組成的蛋白質的最低能量配置。這些氨基酸可以以數萬億種方式摺疊，經典計算機沒有足夠的內存來處理。通過量子計算，人們可以使用糾纏的量子比特來創建所有摺疊配置的疊加–提供同時檢查所有可能答案的能力，更有效地解決問題。
“研究人員只需要做一次計算，而不是嘗試數萬億的可能配置，”Guo說。
關於這項研究的更多信息，請參看：
https://www.nature.com/articles/s41586-022-04539-x